KR20210045185A

KR20210045185A - 연료 전지

Info

Publication number: KR20210045185A
Application number: KR1020190128627A
Authority: KR
Inventors: 이일훈; 정병헌
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2021-04-26

Abstract

실시 예의 연료 전지는 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택과, 셀 스택의 양측단 각각에 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트 및 제1 또는 제2 엔드 플레이트 중 적어도 하나의 엔드 플레이트와 복수의 단위 셀 각각에 배치된 절연 부재를 포함하고, 적어도 하나의 엔드 플레이트 및 복수의 단위 셀 각각은 냉각 매체가 유입되는 냉각 유입용 매니폴드와, 반응 가스와 생성수가 유출되는 가스 유출용 매니폴드 및 냉각 매체가 유출되는 냉각 유출용 매니폴드를 포함하고, 절연 부재는 냉각 유입용 매니폴드, 가스 유출용 매니폴드, 또는 냉각 유출용 매니폴드 중 적어도 하나의 내부에 배치된다.

Description

연료 전지{Fuel cell}

실시 예는 연료 전지에 관한 것이다.

일반적으로, 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택을 포함하는 연료 전지에서 수소와 산소를 이용하여 전력 발전한 결과물로서, 셀 스택의 내부에 물(이하, 생성수 또는 응축수)이 생성되어 매니폴드에 잔류할 수 있다. 이러한 물이 셀 스택에 정체될 경우, 셀 스택의 처음 셀과 마지막 셀 간에 야기되는 전위차로 인해 매니폴드가 부식될 수 있어 이의 개선이 요구된다.

실시 예는 매니폴드의 부식을 방지할 수 있는 연료 전지를 제공한다.

실시 예에 의한 연료 전지는, 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택; 상기 셀 스택의 양측단 각각에 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트; 및 상기 제1 또는 제2 엔드 플레이트 중 적어도 하나의 엔드 플레이트와 상기 복수의 단위 셀 각각에 배치된 절연 부재를 포함하고, 상기 적어도 하나의 엔드 플레이트 및 상기 복수의 단위 셀 각각은 냉각 매체가 유입되는 냉각 유입용 매니폴드; 반응 가스와 생성수가 유출되는 가스 유출용 매니폴드; 및 냉각 매체가 유출되는 냉각 유출용 매니폴드를 포함하고, 상기 절연 부재는 상기 냉각 유입용 매니폴드, 상기 가스 유출용 매니폴드, 또는 상기 냉각 유출용 매니폴드 중 적어도 하나의 내부에 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 절연 부재는 상기 복수의 단위 셀 각각 및 상기 적어도 하나의 엔드 플레이트에 포함된 상기 냉각 유입용 매니폴드가 상기 제1 방향으로 연통하는 제1 공간에 배치된 제1 절연 부재; 상기 복수의 단위 셀 각각 및 상기 적어도 하나의 엔드 플레이트에 포함된 상기 가스 유출용 매니폴드가 상기 제1 방향으로 연통하는 제2 공간에 배치된 제2 절연 부재; 또는 상기 복수의 단위 셀 각각 및 상기 적어도 하나의 엔드 플레이트에 포함된 상기 냉각 유출용 매니폴드가 상기 제1 방향으로 연통하는 제3 공간에 배치된 제3 절연 부재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 절연 부재는 상기 냉각 유입용 매니폴드와 연통하며 상기 냉각 매체가 유입되는 냉각 유입구와 마주보며 배치되고, 상기 제2 절연 부재는 상기 가스 유출용 매니폴드와 연통하며 상기 생성수가 유출되는 생성수 배출구와 마주보며 배치되고, 상기 제3 절연 부재는 상기 냉각 유출용 매니폴드와 연통하여 상기 냉각 매체가 유출되는 냉각 배출구와 마주보며 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 절연 부재는 상기 냉각 유입용 매니폴드의 바닥면에 배치된 제1-1 세그먼트; 및 단면상에서 상기 제1-1 세그먼트의 양단부 중 일단부로부터 연장되며 상기 냉각 유입구와 마주보며 배치된 제1-2 세그먼트를 포함하고, 상기 제2 절연 부재는 상기 가스 유출용 매니폴드의 바닥면에 배치된 제2-1 세그먼트; 및 단면상에서 상기 제2-1 세그먼트의 양단부 중 일단부로부터 연장되며 상기 생성수 배출구와 마주보며 배치된 제2-2 세그먼트를 포함하고, 상기 제3 절연 부재는 상기 냉각 유출용 매니폴드의 바닥면에 배치된 제3-1 세그먼트; 및 단면상에서 상기 제3-1 세그먼트의 양단부 중 일단부로부터 연장되며 상기 냉각 배출구와 마주보며 배치된 제3-2 세그먼트를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1-2 세그먼트, 제2-2 세그먼트 및 제3-2 세그먼트 각각은 구배를 갖는 단면 형상을 가질 수 있다.

예를 들어, 단면상에서 상기 제1-1 세그먼트의 상기 양단부 중 타단부는 상기 냉각 유입용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 일측면과 접촉하고, 단면상에서 상기 제2-1 세그먼트의 상기 양단부 중 타단부는 상기 가스 유출용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 일측면과 접촉하고, 단면상에서 상기 제3-1 세그먼트의 상기 양단부 중 타단부는 상기 냉각 유출용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 일측면과 접촉할 수 있다.

예를 들어, 단면상에서 상기 제1-2 세그먼트의 양단부 중 일단부는 제1-1 세그먼트의 상기 일단부와 접하고, 타단부는 상기 냉각 유입용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 타측면과 접촉하고, 단면상에서 상기 제2-2 세그먼트의 양단부 중 일단부는 제2-1 세그먼트의 상기 일단부와 접하고, 타단부는 상기 가스 유출용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 타측면과 접촉하고, 단면상에서 상기 제3-2 세그먼트의 양단부 중 일단부는 제3-1 세그먼트의 상기 일단부와 접하고, 타단부는 상기 냉각 유출용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 타측면과 접촉할 수 있다.

예를 들어, 단면상에서 상기 절연 부재의 길이는 상기 냉각 유입용 매니폴드, 상기 가스 유출용 매니폴드 및 상기 냉각 유출용 매니폴드 각각의 내주의 길이보다 작을 수 있다.

예를 들어, 상기 절연 부재는 발수 코팅되거나 발수 화학 처리될 수 있다.

예를 들어, 상기 절연 부재는 제1 두께를 갖는 제1 단부; 제2 두께를 가지며, 상기 제1 방향으로 상기 제1 단부의 반대측에 위치한 제2 단부; 및 제3 두께를 가지며, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에 배치된 몸체를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1, 제2 및 제3 두께는 서로 동일할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 두께는 상기 제2 두께보다 크고, 상기 제3 두께는 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부로 갈수록 감소할 수 있다. 또는, 상기 제1 두께는 상기 제2 두께보다 작고, 상기 제3 두께는 상기 제2 단부로부터 상기 제1 단부로 갈수록 감소할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 중에서 상기 절연 부재가 배치된 엔드 플레이트는 결합 홈을 포함하고, 상기 절연 부재는 상기 결합 홈에 수용되는 결합 돌기를 포함할 수 있다. 또는, 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 중에서 상기 절연 부재가 배치된 엔드 플레이트는 결합 돌기를 포함하고, 상기 절연 부재는 상기 결합 돌기를 수용하는 결합 홈을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 결합 돌기와 상기 결합 홈은 동일한 물성을 가질 수 있다.

예를 들어, 상기 복수의 단위 셀 각각은 상기 제1 방향으로 이격되어 배치된 제1 및 제2 분리판을 포함하고, 상기 절연 부재는 상기 복수의 단위 셀 각각에 포함된 상기 제1 및 제2 분리판 사이에 형성된 수용홈에 수용되는 결합 돌기를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 절연 부재는 상기 제1 공간에서 복수의 상기 냉각 유입용 매니폴드와 정렬되어 배치되고, 상기 제2 절연 부재는 상기 제2 공간에서 복수의 상기 가스 유출용 매니폴드와 정렬되어 배치되고, 상기 제3 절연 부재는 상기 제3 공간에서 복수의 상기 냉각 유출용 매니폴드와 정렬되어 배치될 수 있다.

실시 예에 따른 연료 전지에 의하면, 생성수나 냉각 매체가 매니폴드에 닿는 영역을 최소화시키거나 닿지 않게 하거나 생성수나 냉각 매체가 매니폴드에 머무는 시간을 단축시켜, 매니폴드를 포함하는 분리판이 냉각 매체나 생성수에 의해 부식됨이 최소화되거나 방지될 수 있고, 복수의 단위 셀 간의 피치(또는, 간격)이 보다 잘 유지될 수 있고, 셀 스택의 수축/팽창에 의한 면압이 양호하게 유지될 수도 있고, 셀 스택의 내구성도 증가할 수 있고, 셀 스택이 활성화되기 이전에 복수의 단위 셀의 적층 오류를 사전에 감지할 수 있어 셀 스택의 적층성을 검사하여 증대시킬 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 일 실시 예에 의한 연료 전지의 외관 사시도를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 다른 실시 예에 의한 연료 전지의 외관 사시도를 나타낸다.
도 3은 도 1a 내지 도 2b에 도시된 연료 전지에서 엔드 플레이트 및 셀 스택 만의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 1a 및 도 1b에 도시된 연료 전지의 확대 정면도(또는, 단면도)이다.
도 5a는 도 4에 도시된 제1 및 제2-1 절연 부재 각각을 확대 도시한 정면도(또는, 단면도)이고, 도 5b는 도 4에 도시된 제2-2 및 제3 절연 부재 각각을 확대 도시한 정면도(또는, 단면도)이다.
도 6은 도 1a에 도시된 연료 전지를 I-I’선을 따라 절개한 일 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시된 절연 부재 각각의 실시 예에 의한 사시도를 나타낸다.
도 8은 도 1a에 도시된 연료 전지를 I-I’선을 따라 절개한 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 9는 도 8에 도시된 제3 및 제2-2 절연 부재 각각의 확대 단면도를 나타낸다.
도 10은 도 1a에 도시된 연료 전지를 I-I’선을 따라 절개한 또 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 11은 도 1a에 도시된 연료 전지를 I-I’선을 따라 절개한 또 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 12는 도 1a에 도시된 연료 전지를 I-I’선을 따라 절개한 또 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.

또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.

이하, 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 연료 전지(100A, 100B)를 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다. 또한, 데카르트 좌표계에 의하면, x축, y축 및 z축은 서로 직교하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, x축, y축 및 z축은 서로 교차할 수도 있다.

도 1a 및 도 1b는 일 실시 예에 의한 연료 전지(100A)의 외관 사시도를 나타내고, 도 2a 및 도 2b는 다른 실시 예에 의한 연료 전지(100B)의 외관 사시도를 나타낸다. 구체적으로, 도 1a 및 도 2a는 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)의 정면 사시도를 나타내고, 도 1b 및 도 2b는 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)의 배면 사시도를 나타낸다.

연료 전지(100A, 100B)는 예를 들어, 차량 구동을 위한 전력 공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)일 수 있으나, 실시 예는 연료 전지의 특정한 형태에 국한되지 않는다.

도 3은 도 1a 내지 도 2b에 도시된 연료 전지(100A, 100B)에서 엔드 플레이트(end plate)(또는, 가압 플레이트 또는 압축판)(110A, 110B) 및 셀 스택(122)만의 단면도를 나타낸다. 설명의 편의상, 도 3에서 체결 부재의 도시는 생략되었다.

연료 전지(100A, 100B)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B), 집전판(112) 및 셀 스택(cell stack)(122)을 포함할 수 있다.

도 3을 참조하면, 셀 스택(122)은 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 적층된 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 포함할 수 있다. 여기서, N은 1 이상의 양의 정수로서, 수십 내지 수백일 수 있다. N은 예를 들어, 100 내지 300, 바람직하게는 220일 수 있으나, 실시 예는 N의 특정한 수에 국한되지 않는다.

각 단위 셀(122-n)은 0.6 볼트 내지 1.0 볼트, 평균적으로 0.7볼트의 전기를 생성할 수 있다. 여기서, 1≤n≤N이다. 따라서, 연료 전지(100A, 100B)로부터 부하로 공급하고자 하는 전력의 세기에 따라 N이 결정될 수 있다. 여기서, 부하란, 차량에서 전력을 요구하는 부분을 의미할 수 있다.

각 단위 셀(122-n)은 막전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(210), 가스 확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(222, 224), 개스킷(Gasket)(232, 234, 236) 및 분리판(또는, 바이폴라 플레이트(bipolar plate) 또는 세퍼레이터(separator))(242, 244)을 포함할 수 있다.

막전극 접합체(210)는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매 전극층이 부착된 구조를 갖는다. 구체적으로, 막전극 접합체(210)는 고분자 전해질막(또는, 프로톤(proton) 교환막)(212), 연료극(또는, 수소극 또는 산화 전극)(214) 및 공기극(또는, 산소극 또는 환원 전극)(216)을 포함할 수 있다. 또한, 막전극 접합체(210)는 서브 개스킷(238)을 더 포함할 수도 있다.

고분자 전해질막(210)은 연료극(214)과 공기극(216) 사이에 배치된다.

연료 전지(100A, 100B)에서 연료인 수소는 제1 분리판(242)을 통해 연료극(214)으로 공급되고, 산화제인 산소를 포함하는 공기는 제2 분리판(244)을 통해 공기극(216)으로 공급될 수 있다.

연료극(214)으로 공급된 수소는 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 고분자 전해질막(212)을 통과하여 공기극(216)으로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 가스 확산층(222, 224)과 제1 및 제2 분리판(242, 244)을 통해 공기극(216)으로 전달될 수 있다. 전술한 동작을 위해, 연료극(214)과 공기극(216) 각각에는 촉매층이 도포될 수 있다. 이와 같이, 전자의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하여 전류가 생성된다. 연료인 수소와 공기에 포함된 산소와의 전기 화학 반응에 의해, 연료 전지(100A, 100B)는 전력을 발생함을 알 수 있다.

공기극(216)에서는 고분자 전해질막(210)을 통해 공급된 수소 이온과 제1 및 제2 분리판(242, 244)을 통해 전달된 전자가 공기극(216)으로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물(이하, ‘생성수’ 또는 ‘응축수’라 함)을 생성하는 반응을 일으킨다. 공기극(216)에서 생성된 생성수는 고분자 전해질막(212)을 투과하여 연료극(214)으로 전달될 수 있다.

경우에 따라, 연료극(214)을 양극(anode)이라 칭하고 공기극(216)을 음극(cathode)이라고 칭하거나 이와 반대로 연료극(214)을 음극이라 칭하고 공기극(216)을 양극이라고 칭할 수도 있다.

제1 및 제2 가스 확산층(222, 224)은 반응 기체인 수소와 산소를 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 제1 및 제2 가스 확산층(222, 224)은 막전극 접합체(210)의 양측에 각각 배치될 수 있다. 즉, 제1 가스 확산층(222)은 연료극(214)의 좌측부에 배치되고, 제2 가스 확산층(224)은 공기극(216)의 우측부에 배치될 수 있다.

제1 가스 확산층(222)은 제1 분리판(242)을 통해 공급되는 반응 기체인 수소를 확산시켜 고르게 분포시키는 역할을 하며, 전기 전도성을 가질 수 있다.

제2 가스 확산층(224)은 제2 분리판(244)을 통해 공급되는 반응 기체인 공기를 확산시켜 고르게 분포시키는 역할을 하며, 전기 전도성을 가질 수 있다.

제1 및 제2 가스 확산층(222, 224) 각각은 미세한 카본 파이버(carbon fiber)들이 결합된 미세 기공층일 수 있으나, 실시 예는 제1 및 제2 가스층(222, 224)의 특정한 형태에 국한되지 않는다.

개스킷(232, 234, 236)은 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하며, 제1 및 제2 분리판(242, 244)을 적층할 때 응력을 분산시키며, 유로를 독립적으로 밀폐시키는 역할을 수행한다. 이와 같이, 개스킷(232, 234, 236)에 의해 기밀/수밀이 유지됨으로써 전력을 생성하는 셀 스택(122)과 인접한 면의 평탄도가 관리되어, 셀 스택(122)의 반응면에 균일한 면압 분포가 이루어질 수 있다.

제1 및 제2 분리판(242, 244)은 반응기체들 및 냉각매체를 이동시키는 역할과 복수의 단위 셀 각각을 다른 단위 셀과 분리시키는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 분리판(242, 244)은 막전극 접합체(210)와 가스 확산층(222, 224)을 구조적으로 지지하며, 발생한 전류를 수집하여 집전판(112)으로 전달하는 역할을 수행할 수도 있다.

제1 및 제2 분리판(242, 244)은 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 서로 이격되어 제1 및 제2 가스 확산층(222, 224)의 외측에 각각 배치될 수 있다. 즉, 제1 분리판(242)은 제1 가스 확산층(222)의 좌측에 배치되고, 제2 분리판(244)은 제2 가스 확산층(224)의 우측에 배치될 수 있다.

제1 분리판(242)은 반응 기체인 수소를 제1 가스 확산층(222)을 통해 연료극(214)으로 공급하는 역할을 한다. 이를 위해, 제1 분리판(242)은 수소가 흐를 수 있는 채널(즉, 경로 또는 유로)이 형성된 애노드 플레이트(AP:Anode Plate)를 포함할 수 있다.

제2 분리판(244)은 반응 기체인 공기를 제2 가스 확산층(224)을 통해 공기극(216)으로 공급하는 역할을 한다. 이를 위해, 제2 분리판(244)은 산소를 포함하는 공기가 흐를 수 있는 채널이 형성된 캐소드 플레이트(CP:Cathode Plate)를 포함할 수 있다.

그 밖에, 제1 및 제2 분리판(242, 244) 각각은 냉각 매체(예를 들어, 냉각수)가 흐를 수 있는 채널을 형성할 수도 있다.

또한, 제1 및 제2 분리판(242, 244)은 흑연계, 복합 흑연계 또는 금속계의 물질로 구현될 수 있으나, 실시 예는 제1 및 제2 분리판(242, 244)의 특정한 재질에 국한되지 않는다.

한편, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 셀 스택(122)의 양측단 각각에 배치되어, 복수의 단위 셀을 지지하며 고정시킬 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트(110A)는 셀 스택(122)의 양측단 중 일측단에 배치되고, 제2 엔드 플레이트(110B)는 셀 스택(122)의 양측단 중 타측단에 배치될 수 있다.

제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 금속 인서트가 플라스틱 사출물에 의해 둘러싸인 형태를 가질 수 있다. 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 금속 인서트는 내부 면압에 견디기 위해 고강성 특성을 가질 수 있으며 금속 재질을 기계 가공하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 다수 개의 플레이트를 결합하여 형성될 수 있으나, 실시 예는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 특정한 구성에 제한되지 않는다.

집전판(112)은 셀 스택(122)과 대면하는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 내측면(110AI, 110BI)과 셀 스택(122) 사이에 배치될 수 있다. 집전판(112)은 셀 스택(122)에서 전자의 흐름으로 생성된 전기 에너지를 모아서 연료 전지(100A, 100B)가 사용되는 차량의 부하로 공급하는 역할을 한다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 연료 전지(100A)에 포함된 제1 엔드 플레이트(110A)는 제1 내지 제6 매니폴드(manifold)(M1 내지 M6)를 포함할 수 있다.

제1 및 제2 매니폴드(M1, M2)는 연료 전지(100A)의 외부로부터 셀 스택(122)에서 사용될 반응 가스가 유입되는 가스 유입용 매니폴드(또는, 가스 인렛(inlet)용 매니폴드)일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 매니폴드(M1, M2) 중 하나를 통해, 반응 가스인 수소가 외부로부터 셀 스택(122)으로 유입될 수 있고, 제1 및 제2 매니폴드(M1, M2) 중 다른 하나를 통해, 반응 가스인 산소가 외부로부터 셀 스택(122)으로 유입될 수 있다.

제3 및 제4 매니폴드(M3, M4) 중 하나는 셀 스택(122) 내의 온도를 유지시키기 위해 필요한 냉각 매체가 연료 전지(100A)의 외부로부터 유입되는 냉각 유입용 매니폴드(또는, 냉각 인렛용 매니폴드)이고, 제3 및 제4 매니폴드(M3, M4) 중 다른 하나는 연료 전지(100A)의 내부로부터 외부로 냉각 매체가 유출되는 냉각 유출용 매니폴드(또는, 냉각 아웃렛(outlet)용 매니폴드)일 수 있다.

제5 및 제6 매니폴드(M5, M6)는 셀 스택(122)에서 사용이 종료된 반응 가스 및 부산물인 생성수가 셀 스택(122)의 외부로 유출되는 가스 유출용 매니폴드(또는, 가스 아웃렛용 매니폴드)일 수 있다. 예를 들어, 제5 및 제6 매니폴드(M5, M6) 중 하나를 통해, 반응 가스인 수소가 생성수와 함께 셀 스택(122)의 외부로 유출될 수 있고, 제5 및 제6 매니폴드(M5, M6) 중 다른 하나를 통해, 반응 가스인 산소가 생성수와 함께 셀 스택(122)의 외부로 유출될 수 있다.

이때, 가스 유출용 매니폴드(M5, M6)가 가스 유입용 매니폴드(M1, M2)보다 더 아래에 배치될 수 있다.

또한, 동일한 반응 가스를 유입하는 가스 유입용 매니폴드와 동일한 반응 가스를 유출하는 가스 유출용 매니폴드는 서로 대각선 방향으로 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 매니폴드(M1)를 통해 반응 가스인 산소가 유입될 경우, 반응 가스인 산소는 제1 매니폴드(M1)와 대각선 방향에 위치한 제6 매니폴드(M6)를 통해 유출될 수 있다. 또한, 제2 매니폴드(M2)를 통해 반응 가스인 수소가 유입될 경우, 반응 가스인 수소는 제2 매니폴드(M2)와 대각선 방향에 위치한 제5 매니폴드(M5)를 통해 유출될 수 있다. 이와 반대로, 제1 매니폴드(M1)를 통해 반응 가스인 수소가 유입될 경우, 동일한 반응 가스인 수소는 제1 매니폴드(M1)와 대각선 방향에 위치한 제6 매니폴드(M6)를 통해 유출될 수 있다. 또한, 제2 매니폴드(M2)를 통해 반응 가스인 산소가 유입될 경우, 동일한 반응 가스인 산소는 제2 매니폴드(M2)와 대각선 방향에 위치한 제5 매니폴드(M5)를 통해 유출될 수 있다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 연료 전지(100A)의 경우, 제1 엔드 플레이트(110A)가 제1 내지 제6 매니폴드(M1 내지 M6)를 모두 포함한 반면, 제2 엔드 플레이트(110B)는 매니폴드를 포함하지 않는다.

그러나, 도 2a 및 도 2b에 도시된 연료 전지(100B)의 경우, 제1 엔드 플레이트(110A)는 도 1a에 도시된 제1, 제2, 제5 및 제6 매니폴드(M1, M2, M5, M6)를 포함한 반면, 제2 엔드 플레이트(110B)는 제3 및 제4 매니폴드(M3, M4)를 포함한다. 이를 제외하면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 연료 전지(100B)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 연료 전지(100A)와 동일하다.

그러나, 실시 예에 의한 연료 전지에 포함된 제1 내지 제6 매니폴드(M1 내지 M6)는 도 1a 내지 도 2b에 도시된 바와 다르게 다양하게 배치될 수 있으며, 실시 예는 제1 내지 제6 매니폴드(M1 내지 M6)가 배치된 특정한 형태에 국한되지 않는다.

또한, 제1 내지 제6 매니폴드(M1 내지 M6)는 복수의 단위 셀 각각(122-n)에 포함된 제1 및 제2 분리판(242, 244)에도 배치될 수 있다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A)에 포함된 제1 내지 제6 매니폴드(M1 내지 M6)와 제1 및 제2 분리판(242, 244)에 포함된 제1 내지 제6 매니폴드(M1 내지 M6)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 서로 연통할 수 있다. 또한, 도 2a에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A)에 포함된 제1, 제2, 제5 및 제6 매니폴드(M1, M2, M5, M6)와 제1 및 제2 분리판(242, 244)에 포함된 제1, 제2, 제5 및 제6 매니폴드(M1, M2, M5, M6)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 서로 연통할 수 있다. 도 2b에 도시된 제2 엔드 플레이트(110B)에 포함된 제3 및 제4 매니폴드(M3, M4)와 제1 및 제2 분리판(242, 244)에 포함된 제3 및 제4 매니폴드(M3, M4)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 서로 연통할 수 있다.

따라서, 외부로부터의 반응 가스가 제1 엔드 플레이트(110A)의 제1 및 제2 매니폴드(M1, M2)를 거쳐, 이(M1, M2)와 연통하는 각 셀(122-n)에 포함된 제1 및 제2 분리판(242, 244)의 제1 및 제2 매니폴드(M1, M2)로 유입됨으로써, 셀 스택(122)으로 반응 가스가 유입될 수 있다.

또한, 사용이 종료된 반응 가스 및 생성수는 각 셀(122-n)에 포함된 제1 및 제2 분리판(242, 244)의 제5 및 제6 매니폴드(M5, M6)를 거쳐, 이(M5, M6)와 연통하는 제1 엔드 플레이트(110A)의 제5 및 제6 매니폴드(M5, M6)를 통해 유출됨으로써, 셀 스택(122)의 내부로부터 외부로 반응 가스가 유출될 수 있다.

따라서, 막전극 접합체(210)에서 필요한 반응 기체는 가스 유입용 매니폴드(M1, M2)를 통해 유입되고, 가습되어 공급된 반응 기체와 셀 내부에서 생성된 생성수가 더해진 기체 또는/및 액체가 제5 및 제6 매니폴드(M5, M6)를 통해 유출될 수 있다.

또한, 외부로부터의 냉각 매체가 도 1a에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A)(또는, 도 2b에 도시된 제2 엔드 플레이트(100B))의 제3 매니폴드(M3)를 거쳐, 이(M3)와 연통하는 각 셀(122-n)에 포함된 제1 및 제2 분리판(242, 244)의 제3 매니폴드(M3)로 유입됨으로써, 셀 스택(122)으로 냉각 매체가 유입될 수 있다.

또한, 사용이 종료된 냉각 매체는 각 셀(122-n)에 포함된 제1 및 제2 분리판(242, 244)의 제4 매니폴드(M4)를 거쳐, 이(M4)와 연통하는 도 1a에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A)(또는, 도 2b에 도시된 제2 엔드 플레이트(110B))의 제4 매니폴드(M4)를 통해 유출됨으로써, 셀 스택(122)의 내부로부터 외부로 냉각 매체가 유출될 수 있다.

결국, 전술한 바와 같이 제1 또는 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 적어도 하나는 제1 내지 제6 매니폴드(M1 내지 M6)를 포함하고, 복수의 단위 셀 각각의 제1 및 제2 분리판(242, 244) 각각도 제1 내지 제6 매니폴드(M1 내지 M6)를 포함할 수 있다.

또한, 연료 전지(100A, 100B)는 체결부재(미도시)를 더 포함할 수 있다.

체결 부재는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 함께 복수의 단위 셀을 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 체결하는 역할을 한다. 예를 들어, 체결 부재는 바(bar) 형태, 긴 볼트 형태, 벨트 형태 또는 강성 로프 형태로 복수의 단위 셀을 체결할 수 있다.

체결 부재를 연료 전지(100A, 100B)에 체결하는 일 례는 다음과 같다.

복수의 단위 셀이 반복하여 적층된 셀 스텍(122)의 양측단 각각에 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)를 배치시켜 체결 장비에 실은 후 적정한 하중이 가해진 상태에서, 체결 부재를 이용하여 셀 스택(122)을 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)에 체결할 수 있다.

한편, 반응 가스의 반응으로 인해 생성된 생성수 및 냉각 매체가 중력의 영향으로 제3 내지 제6 매니폴드(M3 내지 M6)의 하부로 배출되거나 하부에 잔류할 수 있다. 이로 인해, 제3 내지 제6 매니폴드(M3 내지 M6)가 부식되는 것을 방지하기 위해, 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)는 제1 또는 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 적어도 하나의 엔드 플레이트와 복수의 단위 셀 각각에 배치된 절연 부재를 더 포함할 수 있다.

즉, 절연 부재는 냉각 유입용 매니폴드(M3)(또는, M4), 가스 유출용 매니폴드(M5 및 M6), 또는 냉각 유출용 매니폴드(M4)(또는, M3) 중 적어도 하나의 내부에 걸쳐서 배치될 수 있다.

이하, 도 1a 및 도 1b에 도시된 일 실시 예에 의한 연료 전지(100A)에 포함된 절연 부재에 대해 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 그러나, 달리 설명하지 않는 한, 하기의 설명은 도 2a 및 도 2b에 도시된 연료 전지(100B)에 포함된 절연 부재에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 설명의 편의상, 제3 매니폴드(M3)가 냉각 유입용 매니폴드이고, 제4 매니폴드(M4)가 냉각 유출용 매니폴드인 것으로 설명하지만, 하기의 설명은 제3 매니폴드(M3)가 냉각 유출용 매니폴드이고, 제4 매니폴드(M4)가 냉각 유입용 매니폴드인 경우에도 적용될 수 있다.

도 4는 도 1a 및 도 1b에 도시된 연료 전지(100A)의 확대 정면도(또는, 단면도)이다.

연료 전지(100A, 100B)의 절연 부재는 제1, 제2 또는 제3 절연 부재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도 4의 경우, 절연 부재는 제1 절연 부재(310), 제2 절연 부재(322, 323) 및 제3 절연 부재(330)를 모두 포함한 것으로 도시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 절연 부재는 제1 절연 부재(310), 제2 절연 부재(322, 323) 및 제3 절연 부재(330) 중 하나만을 포함할 수도 있고, 이들(310, 322, 323, 330) 중에서 2개 또는 3개만을 포함할 수도 있다.

제1 절연 부재(310)는 복수의 단위 셀 각각(122-n) 및 제1 또는 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)에 포함된 냉각 유입용 매니폴드인 제3 매니폴더(M3) 복수 개가 제1 방향으로 연통하는 제1 공간에 배치될 수 있다.

제2 절연 부재(322, 323) 중 하나인 제2-1 절연 부재(322)는 복수의 단위 셀 각각(122-n) 및 제1 엔드 플레이트(110A)에 포함된 가스 유출용 매니폴드인 제5 매니폴더(M5) 복수 개가 제1 방향으로 연통하는 제2 공간(이하 ‘제2-1 공간’이라 함)에 배치될 수 있다. 제2 절연 부재(322, 323) 중 다른 하나인 제2-2 절연 부재(323)는 복수의 단위 셀 각각(122-n) 및 제1 엔드 플레이트(110A)에 포함된 가스 유출용 매니폴드인 제6 매니폴더(M6) 복수 개가 제1 방향으로 연통하는 제2 공간(이하 ‘제2-2 공간’이라 함)에 배치될 수 있다.

제3 절연 부재(330)는 복수의 단위 셀 각각(122-n) 및 제1 또는 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)에 포함된 냉각 유출용 매니폴드인 제4 매니폴더(M4) 복수 개가 제1 방향으로 연통하는 제3 공간에 배치될 수 있다.

도 5a는 도 4에 도시된 제1 및 제2-1 절연 부재(310, 322) 각각을 확대 도시한 정면도(또는, 단면도)에 해당한다. 따라서, 도 5a에 도시된 절연 부재(302)는 도 4에 도시된 제1 및 제2-1 절연 부재(310, 322) 각각에 해당할 수 있다.

도 5b는 도 4에 도시된 제2-2 및 제3 절연 부재(323, 330) 각각을 확대 도시한 정면도(또는, 단면도)에 해당한다. 따라서, 도 5b에 도시된 절연 부재(306)는 도 4에 도시된 제2-2 및 제3 절연 부재(323, 330) 각각에 해당할 수 있다.

만일, 도 5a에 도시된 절연 부재(302)가 도 4에 도시된 제1 절연 부재(310)에 해당할 경우 참조부호 304는 냉각 유입구에 해당하고 도 5a에 도시된 매니폴드(MX)는 제3 매니폴드(M3)(즉, X=3)에 해당할 수 있다. 여기서, 냉각 유입구(304)란, 냉각 유입용 매니폴드인 제3 매니폴드(M3)와 연통하며 냉각 매체(400)가 유입되는 구멍을 의미할 수 있다.

또는, 도 5a에 도시된 절연 부재(302)가 도 4에 도시된 제2-1 절연 부재(322)에 해당할 경우 참조부호 304는 제1 생성수 배출구에 해당하고 매니폴드(MX)는 제5 매니폴드(M5)(즉, X=5)에 해당할 수 있다. 여기서, 제1 생성수 배출구(304)란, 가스 유출용 매니폴드인 제5 매니폴드(M5)와 연통하며 생성수(400)가 유출되는 구멍을 의미할 수 있다.

또한, 도 5b에 도시된 절연 부재(306)가 도 4에 도시된 제2-2 절연 부재(323)에 해당할 경우 참조부호 308은 제2 생성수 배출구에 해당하고 도 5b에 도시된 매니폴드(MY)는 제6 매니폴드(M6)(즉, Y=3)에 해당할 수 있다. 여기서, 제2 생성수 배출구(308)란, 가스 유출용 매니폴드인 제6 매니폴드(M6)와 연통하며 생성수(402)가 유출되는 구멍을 의미할 수 있다.

또는, 도 5b에 도시된 절연 부재(306)가 도 4에 도시된 제3 절연 부재(330)에 해당할 경우 참조부호 308은 냉각 배출구에 해당하고 매니폴드(MY)는 제4 매니폴드(M4)(즉, Y=4)에 해당할 수 있다. 여기서, 냉각 배출구(308)란, 냉각 유출용 매니폴드인 제4 매니폴드(M4)와 연통하며 냉각 매체(402)가 유출되는 구멍을 의미할 수 있다.

먼저, 도 5a를 참조하면, 제1 절연 부재(302: 310)는 냉각 유입구(304)와 마주보며 배치될 수 있다. 이와 같이, 제1 절연 부재(302:310)가 냉각 유입구(304)를 가로막지 않고 마주보며 배치될 수 있다. 즉, 제1 절연 부재(302:310)는 냉각수(400)의 이동 경로 상에 배치될 수 있다.

또한, 도 5a를 참조하면, 제2-1 절연 부재(302:322)는 제1 생성수 배출구(304)와 마주보며 배치될 수 있다. 이와 같이, 제2-1 절연 부재(302:322)는 생성수 배출구(304)를 가로막지 않고 마주보며 배치될 수 있다. 즉, 제2-1 절연 부재(302:322)는 제1 생성수 배출구(304)로부터 배출된 생성수(400)의 이동 경로 상에 배치될 수 있다.

또한, 도 5b를 참조하면, 제2-2 절연 부재(306:323)는 제2 생성수 배출구(308)와 마주보며 배치될 수 있다. 이와 같이, 제2-2 절연 부재(306:323)는 제2 생성수 배출구(308)를 가로막지 않고 마주보며 배치될 수 있다. 즉, 제2-2 절연 부재(306:323)는 제2 생성수 배출구(308)로부터 배출된 생성수(402)의 이동 경로 상에 배치될 수 있다.

또한, 도 5b를 참조하면, 제3 절연 부재(306: 330)는 냉각 배출구(308)와 마주보며 배치될 수 있다. 이와 같이, 제3 절연 부재(306:330)는 냉각 배출구(308)를 가로막지 않고 마주보며 배치될 수 있다. 즉, 제3 절연 부재(306:330)는 냉각 배출구(308)로부터 배출된 냉각수(402)의 이동 경로 상에 배치될 수 있다.

한편, 제1 절연 부재(310)는 제1-1 및 제1-2 세그먼트(S1, S2)를 포함할 수 있다. 도 5a를 참조하면, 제1-1 세그먼트(S1)는 냉각 유입용 매니폴드인 제3 매니폴드(M3)(즉, X=3)의 바닥면(BS)에 배치될 수 있다. 제1-2 세그먼트(S2)는 단면상에서 제1-1 세그먼트(S1)의 양단부(302E1, 302E2) 중 일단부(302E1)로부터 연장되어 냉각 유입구(304)와 마주보며 냉각 매체의 이동 경로 상에 배치될 수 있다. 또한, 제1 절연 부재(310)는 제1-3 세그먼트(S3)를 더 포함할 수 있다. 제1-3 세그먼트(S3)는 단면상에서 제1-1 세그먼트(S1)의 양단부(302E1, 302E2) 중 타단부(302E2)로부터 연장되어 배치될 수 있다. 만일, 제1-1 세그먼트(S1)에 고인 냉각 매체가 많아 넘칠 경우, 넘치는 냉각 매체가 제3 매니폴드(M3)로 유동할 수 있다. 그러나, 제1-3 세그먼트(S3)가 배치될 경우, 넘치는 냉각 매체가 제3 매니폴드(M3) 대신에 제1-3 세그먼트(S3)로 유동함으로써, 제3 매니폴드(M3)가 냉각 매체에 의해 부식됨이 방지될 수 있다. 경우에 따라, 제1-3 세그먼트(S3)는 생락될 수도 있다.

제2-1 절연 부재(322)는 제2-1 및 제2-2 세그먼트(S1, S2)를 포함할 수 있다. 도 5a를 참조하면, 제2-1 세그먼트(S1)는 가스 유출용 매니폴드인 제5 매니폴드(M5)(즉, X=5)의 바닥면(BS)에 배치될 수 있다. 제2-2 세그먼트(S2)는 단면상에서 제2-1 세그먼트(S1)의 양단부(302E1, 302E2) 중 일단부(302E1)로부터 연장되며 제1 생성수 배출구(304)와 마주보며 생성수의 이동 경로 상에 배치될 수 있다. 또한, 제2-1 절연 부재(322)는 제2-3 세그먼트(S3)를 더 포함할 수 있다. 제2-3 세그먼트(S3)는 단면상에서 제2-1 세그먼트(S1)의 양단부(302E1, 302E2) 중 타단부(302E2)로부터 연장되어 배치될 수 있다. 만일, 제2-1 세그먼트(S1)에 고인 생성수가 많아 넘칠 경우, 넘치는 생성수가 제5 매니폴드(M5)로 유동할 수 있다. 그러나, 제2-3 세그먼트(S3)가 배치될 경우, 넘치는 생성수가 제5 매니폴드(M5) 대신에 제2-3 세그먼트(S3)로 유동함으로써, 제5 매니폴드(M5)가 냉각 매체에 의해 부식됨이 방지될 수 있다. 경우에 따라, 제2-3 세그먼트(S3)는 생락될 수도 있다.

제2-2 절연 부재(323)는 제2-1 및 제2-2 세그먼트(S4, S5)를 포함할 수 있다. 도 5b를 참조하면, 제2-1 세그먼트(S4)는 가스 유출용 매니폴드인 제6 매니폴드(M6)(즉, Y=6)의 바닥면(BS)에 배치될 수 있다. 제2-2 세그먼트(S5)는 단면상에서 제2-1 세그먼트(S4)의 양단부(306E1, 306E2) 중 일단부(306E1)로부터 연장되어 제2 생성수 배출구(308)와 마주보며 생성수의 이동 경로 상에 배치될 수 있다. 또한, 제2-2 절연 부재(323)는 제2-3 세그먼트(S6)를 더 포함할 수 있다. 제2-3 세그먼트(S6)는 단면상에서 제2-1 세그먼트(S4)의 양단부(306E1, 306E2) 중 타단부(306E2)로부터 연장되어 배치될 수 있다. 만일, 제2-1 세그먼트(S4)에 고인 생성수가 많아 넘칠 경우, 넘치는 생성수가 제6 매니폴드(M6)로 유동할 수 있다. 그러나, 제2-3 세그먼트(S6)가 배치될 경우, 넘치는 생성수가 제6 매니폴드(M6) 대신에 제2-3 세그먼트(S6)로 유동함으로써, 제6 매니폴드(M6)가 생성수에 의해 부식됨이 방지될 수 있다. 경우에 따라, 제2-3 세그먼트(S6)는 생락될 수도 있다.

제3 절연 부재(330)는 제3-1 및 제3-2 세그먼트(S4, S5)를 포함할 수 있다. 도 5b를 참조하면, 제3-1 세그먼트(S4)는 냉각 유출용 매니폴드인 제4 매니폴드(M4)(Y=4)의 바닥면(BS)에 배치될 수 있다. 제3-2 세그먼트(S5)는 단면상에서 제3-1 세그먼트(S4)의 양단부(306E1, 306E2) 중 일단부(306E1)로부터 연장되며 제2 냉각 배출구(308)와 마주보며 냉각 매체의 이동 경로 상에 배치될 수 있다. 또한, 제3 절연 부재(330)는 제3-3 세그먼트(S6)를 더 포함할 수 있다. 제3-3 세그먼트(S6)는 단면상에서 제3-1 세그먼트(S4)의 양단부(306E1, 306E2) 중 타단부(306E2)로부터 연장되어 배치될 수 있다. 만일, 제3-1 세그먼트(S4)에 고인 냉각 매체가 많아 넘칠 경우, 넘치는 냉각 매체가 제4 매니폴드(M4)로 유동할 수 있다. 그러나, 제3-3 세그먼트(S6)가 배치될 경우, 넘치는 냉각 매체가 제4 매니폴드(M4) 대신에 제3-3 세그먼트(S6)로 유동함으로써, 제4 매니폴드(M4)가 냉각 매체에 의해 부식됨이 방지될 수 있다. 경우에 따라, 제3-3 세그먼트(S6)는 생락될 수도 있다.

또한, 도 5a에 도시된 제1-2 세그먼트(S2) 및 제2-2 세그먼트(S2)와 도 5b에 도시된 제2-2 세그먼트(S5) 및 제3-2 세그먼트(S5) 각각은 구배를 가질 수 있다. 게다가, 도 5a에 도시된 제1-3 세그먼트(S3) 및 제2-3 세그먼트(S2)와 도 5b에 도시된 제2-3 세그먼트(S6) 및 제3-3 세그먼트(S6) 각각도 구배를 가질 수 있다.

예를 들어, 제1 절연 부재(302:310)는 제1-2 세그먼트(S2)의 타단부(302E4)로부터 제1-3 세그먼트(S3)의 타단부(302E3)까지 구배를 갖는 단면 형상을 가질 수 있다. 만일, 제1-3 세그먼트(S3)가 생략될 경우, 제1 절연 부재(302:310)는 제1-2 세그먼트(S2)의 타단부(302E4)로부터 제1-1 세그먼트(S1)의 타단부(302E2) 또는 일단부(302E1)까지 구배를 갖는 단면 형상을 가질 수 있다.

또한, 제2-2 절연 부재(302:322)는 제2-2 세그먼트(S2)의 타단부(302E4)로부터 제2-3 세그먼트(S3)의 타단부(302E3)까지 구배를 갖는 단면 형상을 가질 수 있다. 만일, 제2-3 세그먼트(S3)가 생략될 경우, 제2-2 절연 부재(302:322)는 제2-2 세그먼트(S2)의 타단부(302E4)로부터 제2-1 세그먼트(S1)의 타단부(302E2) 또는 일단부(302E1)까지 구배를 갖는 단면 형상을 가질 수 있다.

또한, 제2-2 절연 부재(306:323)는 제2-2 세그먼트(S5)의 타단부(306E4)로부터 제2-3 세그먼트(S6)의 타단부(306E3)까지 구배를 갖는 단면 형상을 가질 수 있다. 만일, 제2-3 세그먼트(S6)가 생략될 경우, 제2-2 절연 부재(306:323)는 제2-2 세그먼트(S5)의 타단부(306E4)로부터 제2-1 세그먼트(S4)의 타단부(306E2) 또는 일단부(306E1)까지 구배를 갖는 단면 형상을 가질 수 있다.

또한, 제3 절연 부재(306:330)는 제3-2 세그먼트(S5)의 타단부(306E4)로부터 제3-3 세그먼트(S6)의 타단부(306E3)까지 구배를 갖는 단면 형상을 가질 수 있다. 만일, 제3-3 세그먼트(S6)가 생략될 경우, 제3 절연 부재(306:330)는 제3-2 세그먼트(S5)의 타단부(306E4)로부터 제3-1 세그먼트(S4)의 타단부(306E2) 또는 일단부(306E1)까지 구배를 갖는 단면 형상을 가질 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1, 제2-1, 제2-2 및 제3 절연 부재(310, 322, 323, 330) 각각에서, 냉각 매체나 생성수(400, 402)가 이동하는 경로 상에 배치된 제1-2, 제2-2 및 제3-2 세그먼트(S2, S5)가 구배를 가질 경우, 제1-2, 제2-2 및 제3-2 세그먼트(S2, S5)에 부딪힌 냉각 매체나 생성수(400, 402)가 중력에 의해 제1-1, 제2-1 및 제3-1 세그먼트(S1, S4)로 각각 모이는 시간이 단축될 수 있다. 이와 같이, 생성수나 냉각 매체가 제1-1, 제2-1 및 제3-1 세그먼트(S1, S4)로 각각 모이는 시간이 단축될 경우, 생성수나 냉각 매체가 제3 내지 제6 매니폴드(M3 내지 M6)에 머무는 시간이 단축되어, 제3 내지 제6 매니폴드(M3 내지 M6)를 포함하는 분리판(242, 244)이 냉각 매체나 생성수에 의해 부식되는 정도가 감소되거나 방지될 수 있다.

또한, 절연 부재(310, 322, 323, 330)의 제1-1, 제2-1 및 제3-1 세그먼트(S1, S4)가 생성수나 냉각 매체(400, 402)가 가장 많이 모이는 제3 내지 제6 매니폴드(M3 내지 M6)의 바닥면(BS)에 배치된다. 그러므로, 생성수나 냉각 매체가 제3 내지 제6 매니폴드(M3 내지 M6)에 닿는 영역이 최소화되거나 닿지 않게 되므로, 제3 내지 제6 매니폴드(M3 내지 M6)를 포함하는 분리판(242, 244)이 냉각 매체나 생성수에 의해 부식됨이 더욱 방지될 수 있다.

한편, 도 5a를 참조하면 단면상에서, 제1-3 세그먼트(S3)의 양단부(302E2, 302E3) 중 일단부(302E2)는 제1-1 세그먼트(S1)의 타단부(302E2)에 해당하며, 제1-3 세그먼트(S3)의 양단부(302E2, 302E3) 중 타단부(302E3)는 냉각 유입용 매니폴드인 제3 매니폴드(M3)(X=3)의 바닥면(BS)에 인접한 일측면(SS1)과 접촉할 수도 있다. 만일, 제1-3 세그먼트(S3)가 생략될 경우, 도 5a를 참조하면 단면상에서, 제1-1 세그먼트(S1)의 양단부(302E1, 302E2) 중 타단부(302E2)는 냉각 유입용 매니폴드인 제3 매니폴드(M3)(X=3)의 바닥면(BS)에 인접한 일측면(SS1)과 접촉할 수 있다.

또한, 도 5a를 참조하면 단면상에서, 제2-3 세그먼트(S3)의 양단부(302E2, 302E3) 중 일단부(302E2)는 제2-1 세그먼트(S1)의 타단부(302E2)에 해당하며, 제2-3 세그먼트(S3)의 양단부(302E2, 302E3) 중 타단부(302E3)는 가스 유출용 매니폴드인 제5 매니폴드(M5)(X=5)의 바닥면(BS)에 인접한 일측면(SS1)과 접촉할 수 있다. 만일, 제2-3 세그먼트(S3)가 생략될 경우, 도 5a를 참조하면 단면상에서, 제2-1 세그먼트(S1)의 양단부(302E1, 302E2) 중 타단부(302E2)는 가스 유출용 매니폴드인 제5 매니폴드(M5)(X=5)의 바닥면(BS)에 인접한 일측면(SS1)과 접촉할 수 있다.

또한, 도 5b를 참조하면 단면상에서, 제2-3 세그먼트(S6)의 양단부(306E2, 306E3) 중 일단부(306E2)는 제2-1 세그먼트(S4)의 타단부(306E2)에 해당하며, 제2-3 세그먼트(S6)의 양단부(306E2, 306E3) 중 타단부(306E3)는 가스 유출용 매니폴드인 제6 매니폴드(M6)(Y=6)의 바닥면(BS)에 인접한 일측면(SS3)과 접촉할 수 있다. 만일, 제2-3 세그먼트(S6)가 생략될 경우, 도 5b를 참조하면 단면상에서, 제2-1 세그먼트(S4)의 양단부(306E1, 306E2) 중 타단부(306E2)는 가스 유출용 매니폴드인 제6 매니폴드(M6)(Y=5)의 바닥면(BS)에 인접한 일측면(SS3)과 접촉할 수 있다.

또한, 도 5b를 참조하면 단면상에서, 제3-3 세그먼트(S6)의 양단부(306E2, 306E3) 중 일단부(306E2)는 제3-1 세그먼트(S4)의 타단부(306E2)에 해당하며, 제3-3 세그먼트(S6)의 양단부(306E2, 306E3) 중 타단부(306E3)는 냉각 유출용 매니폴드인 제4 매니폴드(M4)(Y=4)의 바닥면(BS)에 인접한 일측면(SS3)과 접촉할 수 있다. 만일, 제3-3 세그먼트(S6)가 생략될 경우, 도 5b를 참조하면 단면상에서, 제3-1 세그먼트(S4)의 양단부(306E1, 306E2) 중 타단부(306E2)는 냉각 유출용 매니폴드인 제4 매니폴드(M4)(Y=4)의 바닥면(BS)에 인접한 일측면(SS3)과 접촉할 수 있다.

한편, 도 5a를 참조하면 단면상에서, 제1-2 세그먼트(S2)의 양단부(302E1, 302E4) 중 일단부(302E1)는 제1-1 세그먼트(S1)의 일단부(302E1)와 접하고, 타단부(302E4)는 냉각 유입용 매니폴드인 제3 매니폴드(M3)(X=3)의 바닥면(BS)에 인접한 타측면(SS2)과 접촉할 수 있다.

또한, 도 5a를 참조하면 단면상에서, 제2-2 세그먼트(S2)의 양단부(302E1, 302E4) 중 일단부(302E1)는 제2-1 세그먼트(S1)의 일단부(302E1)와 접하고, 타단부(302E4)는 가스 유출용 매니폴드인 제5 매니폴드(M5)(X=5)의 바닥면(BS)에 인접한 타측면(SS2)과 접촉할 수 있다.

또한, 도 5b를 참조하면 단면상에서, 제2-2 세그먼트(S5)의 양단부(306E1, 306E4) 중 일단부(306E1)는 제2-1 세그먼트(S4)의 일단부(306E1)와 접하고, 타단부(306E4)는 가스 유출용 매니폴드인 제6 매니폴드(M6)(Y=6)의 바닥면(BS)에 인접한 타측면(SS4)과 접촉할 수 있다.

또한, 도 5b를 참조하면 단면상에서, 제3-2 세그먼트(S5)의 양단부(306E1, 306E4) 중 일단부(306E1)는 제3-1 세그먼트(S4)의 일단부(306E1)와 접하고, 타단부(306E4)는 냉매 유출용 매니폴드인 제4 매니폴드(M4)(Y=4)의 바닥면(BS)에 인접한 타측면(SS4)과 접촉할 수 있다.

한편, 단면상에서 절연 부재의 길이는 해당하는 매니폴드의 내주의 길이보다 작을 수 있다.

즉, 단면상에서 제1 절연 부재(310)의 길이는 냉각 유입용 매니폴드인 제3 매니폴드(M3)의 내주(302P)의 길이보다 작고. 단면상에서 제2-2 절연 부재(322)의 길이는 가스 유출용 매니폴드인 제5 매니폴드(M5)의 내주(302P)의 길이보다 작을 수 있다.

또한, 단면상에서 제3 절연 부재(330)의 길이는 냉각 유출용 매니폴드인 제4 매니폴드(M4)의 내주(306P)의 길이보다 작고. 단면상에서 제2-2 절연 부재(323)의 길이는 가스 유출용 매니폴드인 제6 매니폴드(M6)의 내주(306P)의 길이보다 작을 수 있다.

또한, 단면상에서 연료 전지(100A)를 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 균등하게 2 등분하는 중심축(CX)을 기준으로 제1 절연 부재(310)와 제3 절연 부재(330)는 대칭일 수 있고, 중심축(CX)을 기준으로 제2-1 절연 부재(322)와 제2-2 절연 부재(323)는 대칭일 수 있다.

한편, 전술한 절연 부재(310, 322, 323, 330) 각각은 발수 코팅될 수도 있고, 발수 화학 처리될 수도 있다. 전술한 절연 부재(310, 322, 323, 330)는 절연성을 갖는 금속 또는 절연 물질로 구현될 수 있다. 이와 같이, 절연 부재(310, 322, 323. 330)가 발수성을 가질 경우, 생성수나 냉각 매체의 유동이 보다 원할하게 일어나므로, 제3 내지 제6 매니폴드(M3 내지 M6)를 포함하는 제1 및 제2 분리판(242, 244)의 부식이 더욱 방지될 수 있다.

이하, 전술한 제1 내지 제3 절연부(310, 322, 323, 330)의 실시 예에 의한 다양한 형태를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 이의 이해를 돕기 위해, 제3 절연 부재(330)의 실시 예(330A, 330B, 330C, 330D, 330E) 및 제2-2 절연 부재(323)의 실시 예(323A, 323B, 323C, 323D, 323E)를 도 6 내지 도 12에 예시적으로 도시한다.

도 6은 도 1a에 도시된 연료 전지(100A)를 I-I’선을 따라 절개한 일 실시 예에 의한 단면도를 나타내고, 도 7은 도 6에 도시된 절연 부재(330A, 323A) 각각의 실시 예에 의한 사시도를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 제4 매니폴드(M4) 및 제6 매니폴드(M4, M6) 각각에 도 7에 도시된 바와 같은 형상의 제3 및 제2-2 절연 부재(330A, 323A)가 각각 배치될 수 있다.

도 8은 도 1a에 도시된 연료 전지(100A)를 I-I’선을 따라 절개한 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타내고, 도 9는 도 8에 도시된 제3 및 제2-2 절연 부재(330B, 323B) 각각의 확대 단면도를 나타낸다.

절연 부재(310, 322, 323, 330) 각각은 제1 단부(E1), 제2 단부(E2) 및 몸체(BO)를 포함할 수 있다.

만일, 연료 전지(100A)가 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같을 경우, 제1 절연 부재(310)의 제1 단부(E1)는 제1 엔드 플레이트(110A) 내부에 배치되고, 연료 전지(100B)가 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같을 경우, 제1 절연 부재(310)의 제1 단부(E1)는 제1 엔드 플레이트(110A) 외부에서 제1 엔드 플레이트(110A)와 대향하여 배치될 수 있다. 제2-1 절연 부재(322)의 제1 단부(E1)는 제1 엔드 플레이트(110A) 내부에 배치될 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이 제2-2 절연 부재(323B)의 제1 단부(E1)는 제1 엔드 플레이트(110A) 내부에 배치될 수 있다.

만일, 연료 전지(100A)가 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같을 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 제3 절연 부재(330B)의 제1 단부(E1)는 제1 엔드 플레이트(110A) 내부에 배치될 수 있다. 만일, 연료 전지(100B)가 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같을 경우, 제3 절연 부재(330)의 제1 단부(E1)는 도 8에 도시된 바와 달리 제1 엔드 플레이트(110A) 외부에서 제1 엔드 플레이트(110A)와 대향하여 배치될 수 있다.

또한, 절연 부재(310, 322, 323, 330) 각각의 제2 단부(E2)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 제1 단부(E1)의 반대측에 위치한다.

연료 전지(100A)가 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같을 경우, 제1 절연 부재(310)의 제2 단부(E2)는 제2 엔드 플레이트(110B) 외부에서 제2 엔드 플레이트(110B)와 대향하여 배치되고, 연료 전지(100B)가 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같을 경우, 제1 절연 부재(310)의 제2 단부(E1)는 제2 엔드 플레이트(110B) 내부에 배치될 수 있다.

제2-1 절연 부재(322)의 제2 단부(E1)는 제2 엔드 플레이트(110B)의 외부에서 제2 엔드 플레이트(110B)와 대향하여 배치될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 제2-2 절연 부재(323B)의 제2 단부(E2)는 제2 엔드 플레이트(110B)의 외부에서 제2 엔드 플레이트(110B)와 대향하여 배치될 수 있다.

만일, 연료 전지(100A)가 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같을 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 제3 절연 부재(330B)의 제2 단부(E2)는 제2 엔드 플레이트(110B)의 외부에서 제2 엔드 플레이트(110B)와 대향하여 배치될 수 있다. 만일, 연료 전지(100B)가 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같을 경우, 제3 절연 부재(330)의 제2 단부(E2)는 도 8에 도시된 바와 달리 제2 엔드 플레이트(110B)의 내부에 배치될 수 있다.

절연 부재(310, 322, 323, 3300 각각의 몸체(BO)는 제1 단부(E1)와 제2 단부(E2) 사이에 배치될 수 있다.

전술한 제1 단부(E1)는 제1 두께(T1)를 갖고, 제2 단부(E2)는 제2 두께(T2)를 갖고, 몸체(BO)는 제3 두께(T3)를 갖는다.

일 실시 예에 의하면, 제1 내지 제3 두께(T1 내지 T3)는 서로 동일할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 제3 절연 부재(330A) 및 제2-2 절연 부재(323A) 각각의 제1 내지 제3 두께(T1 내지 T3)는 서로 동일할 수 있다.

다른 실시 예에 의하면, 제1 두께(T1)는 제2 두께(T2)보다 작고, 제3 두께(T3)는 제2 단부(E2)로부터 제1 단부(E1)로 갈수록 감소할 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2-2 및 제3 절연 부재(323B, 330B) 각각의 제1 두께(T1)는 제2 두께(T2)보다 작고, 제3 두께(T3)는 제2 단부(E2)로부터 제1 단부(E1)로 갈수록 감소할 수 있다. 이와 같이, 제1 방향(예를 들어, +x축 방향)으로 갈수록 제3 두께(T3)가 점점 감소할 경우, 제2-1, 제2-2 및 제3 매니폴드(322, 323, 330)의 바닥면(BS)에 고인 냉각 매체 및 생성수가 보다 빨리 외부로 배출될 수 있다.

또 다른 실시 예에 의하면, 제1 두께(T1)는 제2 두께(T2)보다 크고, 제3 두께(T3)는 제1 단부(E1)로부터 제2 단부(E3)로 갈수록 감소할 수 있다. 예를 들어, 제1 절연 부재(310)의 제1 두께(T1)는 제2 두께(T2)보다 크고, 제3 두께(T3)는 제1 단부(E1)로부터 제2 단부(E2)로 갈수록 감소할 수 있다. 이와 같이, 제1 방향의 정반대 방향(예를 들어, -x축 방향)으로 갈수록 두께가 점점 감소할 경우, 제3 매니폴드(M3)의 바닥면(BS)에 고인 냉각 매체가 보다 빨리 각 셀(122-n)로 공급될 수 있다.

전술한 바와 같이, 절연 부재(322, 323, 330)가 경사를 가질 경우 생성수 및 냉각 매체가 중력방향으로 더욱 빨리 이동하여 외부로 배출되거나, 절연부(310)가 경사를 가질 경우 냉각 매체가 셀 스택(122)의 내부로 더욱 빨리 이동한다. 그러므로, 냉각 매체나 생성수가 제3 내지 제6 매니폴드(M3 내지 M6)에 머무는 시간이 감소하여, 제3 내지 제6 매니폴드(M3 내지 M6)를 포함하는 분리판(242, 244)이 부식될 가능성이 줄어들거나 부식되지 않을 수 있다.

도 10은 도 1a에 도시된 연료 전지(100A)를 I-I’선을 따라 절개한 또 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.

또 다른 실시 예에 의하면, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중에서 절연 부재가 배치된 엔드 플레이트는 결합 홈을 포함하고, 절연 부재는 결합 홈에 수용되는 결합 돌기를 포함할 수 있다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 연료 전지(100A)의 경우, 제1 내지 제3 절연 부재(310, 322, 323, 330)가 배치된 제1 엔드 플레이트(110A)는 결합 홈을 포함하고, 제1 내지 제3 절연 부재(310, 322, 323, 330)는 결합 홈에 수용되는 결합 돌기를 포함할 수 있다.

또는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 연료 전지(100B)의 경우, 제2-1 및 제2-2 절연 부재(322, 323)가 배치된 제1 엔드 플레이트(110A)는 도 10에 도시된 바와 같이 결합 홈을 포함하고, 제2-2 및 제2-2 절연 부재(322, 323)는 결합 홈에 수용되는 결합 돌기를 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제3 절연 부재(310, 330)가 배치된 제2 엔드 플레이트(110B)는 결합 홈을 포함하고, 제1 및 제3 절연 부재(310, 330)는 결합 홈에 수용되는 결합 돌기를 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 10을 참조하면, 제2-2 및 제3 절연 부재(323C, 330C)가 배치된 제1 엔드 플레이트(110A)는 결합 홈(CH1)을 포함하고, 제2-2 및 제3 절연 부재(323C, 330C)는 결합 홈(CH1)에 수용되는 결합 돌기(CT1)를 포함할 수 있다. 이때, 결합 돌기(CT1)가 결합 홈(CH1)에 용이하게 수용될 수 있도록, 결합 홈(CH1)의 깊이(Z2)는 결합 돌기(CT1)의 높이(Z1)보다 크고 결합 홈(CH1)의 폭(X2)은 결합 돌기(CT1)의 폭(X1)보다 클 수 있다.

도 11은 도 1a에 도시된 연료 전지(100A)를 I-I’선을 따라 절개한 또 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.

또 다른 실시 예에 의하면, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중에서 절연 부재가 배치된 엔드 플레이트는 결합 돌기를 포함하고, 절연 부재는 결합 돌기를 수용하는 결합 홈을 포함할 수 있다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 연료 전지(100A)의 경우, 제1 내지 제3 절연 부재(310, 322, 323, 330)가 배치된 제1 엔드 플레이트(110A)는 결합 돌기를 포함하고, 제1 내지 제3 절연 부재(310, 322, 323, 330)는 결합 돌기를 수용하는 결합 홈을 포함할 수 있다.

또는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 연료 전지(100B)의 경우, 제2-1 및 제2-2 절연 부재(322, 323)가 배치된 제1 엔드 플레이트(110A)는 결합 돌기를 포함하고, 제2-1 및 제2-2 절연 부재(322, 323)는 결합 돌기를 수용하는 결합 홈을 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제3 절연 부재(310, 330)가 배치된 제2 엔드 플레이트(110B)는 결합 돌기를 포함하고, 제1 및 제3 절연 부재(310, 330)는 결합 돌기를 수용하는 결합 홈을 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 11을 참조하면, 제2-2 및 제3 절연 부재(323D, 330D)가 배치된 제1 엔드 플레이트(110A)는 결합 돌기(CT2)을 포함하고, 제2-2 및 제3 절연 부재(323D, 330D)는 결합 돌기(CT2)를 수용하는 결합 홈(CH2)를 포함할 수 있다. 이때, 결합 돌기(CT2)가 결합 홈(CH2)에 용이하게 수용될 수 있도록, 결합 홈(CH2)의 깊이(Z3)는 결합 돌기(CT2)의 높이(Z4)보다 크고 결합 홈(CH2)의 폭(X4)은 결합 돌기(CT2)의 폭(X3)보다 클 수 있다.

또한, 전술한 결합 돌기와 결합 홈은 동일하거나 유사한 물성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 결합 돌기(CT1)의 열 팽창 계수와 결합 홈(CH1)의 열 팽창 계수는 서로 동일하거나 유사하고, 도 11에 도시된 결합 돌기(CT2)의 열 팽창 계수와 결합 홈(CH2)의 열 팽창 계수는 서로 동일하거나 유사할 수 있다.

전술한 바와 같이, 결합 돌기(예를 들어, CT1, CT2) 및 결합 홈(예를 들어, CH1, CH2)에 의해 절연 부재(예를 들어, 323C, 323D, 330C, 330D)가 엔드 플레이트(예를 들어, 110A)에 결합될 경우, 복수의 단위 셀 간의 피치(또는, 간격)이 보다 잘 유지될 수 있고 셀 스택(122)의 수축/팽창에 의한 면압이 유지될 수도 있다. 이러한 현상은, 결합 돌기(CT1, CT2)와 결합 홈(CH1, CH2)의 물성 예를 들어, 열 팽창 계수가 동일하거나 유사할 경우 더욱 극대화될 수 있다.

도 12는 도 1a에 도시된 연료 전지(100A)를 I-I’선을 따라 절개한 또 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.

또 다른 실시 예에 의하면, 절연 부재(310, 322, 323, 330)는 복수의 단위 셀 각각(122-n)에 포함된 수용홈에 수용되는 결합 돌기를 포함할 수 있다. 여기서, 각 셀(122-n)에서 수용 홈은 제1 및 제2 분리판(242, 244) 사이에 형성될 수 있다.

예를 들어, 도 12를 참조하면, 제2-2 및 제3 절연 부재(323E, 330E) 각각은 복수의 단위 셀 각각(122-n)에 포함된 수용홈(CH3)에 수용되는 결합 돌기(CT3)를 포함할 수 있다. 이때, 결합 돌기(CT3)가 결합 홈(CH3)에 용이하게 수용될 수 있도록, 결합 홈(CH3)의 깊이(Z6)는 결합 돌기(CT3)의 높이(Z5)보다 크고 결합 홈(CH3)의 폭(X6)은 결합 돌기(CT3)의 폭(X5)보다 클 수 있다.

전술한 바와 같이, 절연 부재(예를 들어, 323E, 330E)의 결합 돌기(예를 들어, CT3)가 분리판(242, 244)의 사이에 형성된 결합 홈(예를 들어, CH3)에 결합될 경우, 복수의 단위 셀 간의 피치가 더욱 잘 유지될 뿐만 아니라, 셀 스택(122)의 내구성도 증가할 수 있다.

또한, 제1 절연 부재(310)는 전술한 제1 공간에서 복수의 냉각 유입용 매니폴드(예를 들어, M3)와 정렬되어 배치될 수 있다. 또한, 제2-1 절연 부재(322)는 전술한 제2-1 공간에서 복수의 가스 유출용 매니폴드(예를 들어, M5)와 정렬되어 배치되고, 제2-2 절연 부재(323)는 전술한 제2-2 공간에서 복수의 가스 유출용 매니폴드(예를 들어, M6)와 정렬되어 배치될 수 있다. 제3 절연 부재(330)는 전술한 제3 공간에서 복수의 냉각 유출용 매니폴드(예를 들어, M4)와 정렬되어 배치될 수 있다.

이와 같이, 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)를 제조할 때, 복수의 단위 셀을 적층한 후, 제3 내지 제6 매니폴드(M3 내지 M6)에 절연 부재를 삽입하여 정렬시킬 경우, 셀 스택(122)이 활성화되기 이전에 복수의 단위 셀의 적층 오류를 사전에 감지할 수 있어 셀 스택(122)의 적층성을 검사하여 증대시킬 수 있다.

전술한 도 8 내지 도 12에 도시된 실시 예에서 연료 전지는 서로 동일한 단면 형상을 갖는 제2-2 절연 부재(323A 내지 323E) 및 제3 절연 부재(330A 내지 330E)를 포함하는 것으로 설명하였지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 연료 전지는 서로 다른 단면 형상을 갖는 제1 내지 제3 절연 부재(310, 322, 323, 330)을 포함할 수 있다.

전술한 다양한 실시 예들은 본 발명의 목적을 벗어나지 않고, 서로 상반되지 않은 한 서로 조합될 수도 있다. 또한, 전술한 다양한 실시 예들 중에서 어느 실시 예의 구성 요소가 상세히 설명되지 않은 경우 다른 실시 예의 동일한 참조부호를 갖는 구성 요소에 대한 설명이 준용될 수 있다.

이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100A, 100B: 연료 전지 110A, 110B: 엔드 플레이트
112: 집전판 122: 셀 스택
210: 막전극 접합체 212: 고분자 전해질막
214: 연료극 216: 공기극
222, 224: 가스 확산층 232, 234, 236: 개스킷
242, 244: 분리판

Claims

복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택;
상기 셀 스택의 양측단 각각에 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트; 및
상기 제1 또는 제2 엔드 플레이트 중 적어도 하나의 엔드 플레이트와 상기 복수의 단위 셀 각각에 배치된 절연 부재를 포함하고,
상기 적어도 하나의 엔드 플레이트 및 상기 복수의 단위 셀 각각은
냉각 매체가 유입되는 냉각 유입용 매니폴드;
반응 가스와 생성수가 유출되는 가스 유출용 매니폴드; 및
냉각 매체가 유출되는 냉각 유출용 매니폴드를 포함하고,
상기 절연 부재는
상기 냉각 유입용 매니폴드, 상기 가스 유출용 매니폴드, 또는 상기 냉각 유출용 매니폴드 중 적어도 하나의 내부에 배치된 연료 전지.
제1 항에 있어서, 상기 절연 부재는
상기 복수의 단위 셀 각각 및 상기 적어도 하나의 엔드 플레이트에 포함된 상기 냉각 유입용 매니폴드가 상기 제1 방향으로 연통하는 제1 공간에 배치된 제1 절연 부재;
상기 복수의 단위 셀 각각 및 상기 적어도 하나의 엔드 플레이트에 포함된 상기 가스 유출용 매니폴드가 상기 제1 방향으로 연통하는 제2 공간에 배치된 제2 절연 부재; 또는
상기 복수의 단위 셀 각각 및 상기 적어도 하나의 엔드 플레이트에 포함된 상기 냉각 유출용 매니폴드가 상기 제1 방향으로 연통하는 제3 공간에 배치된 제3 절연 부재 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지.
제2 항에 있어서,
상기 제1 절연 부재는 상기 냉각 유입용 매니폴드와 연통하며 상기 냉각 매체가 유입되는 냉각 유입구와 마주보며 배치되고,
상기 제2 절연 부재는 상기 가스 유출용 매니폴드와 연통하며 상기 생성수가 유출되는 생성수 배출구와 마주보며 배치되고,
상기 제3 절연 부재는 상기 냉각 유출용 매니폴드와 연통하여 상기 냉각 매체가 유출되는 냉각 배출구와 마주보며 배치된 연료 전지.
제3 항에 있어서,
상기 제1 절연 부재는
상기 냉각 유입용 매니폴드의 바닥면에 배치된 제1-1 세그먼트; 및
단면상에서 상기 제1-1 세그먼트의 양단부 중 일단부로부터 연장되며 상기 냉각 유입구와 마주보며 배치된 제1-2 세그먼트를 포함하고,
상기 제2 절연 부재는
상기 가스 유출용 매니폴드의 바닥면에 배치된 제2-1 세그먼트; 및
단면상에서 상기 제2-1 세그먼트의 양단부 중 일단부로부터 연장되며 상기 생성수 배출구와 마주보며 배치된 제2-2 세그먼트를 포함하고,
상기 제3 절연 부재는
상기 냉각 유출용 매니폴드의 바닥면에 배치된 제3-1 세그먼트; 및
단면상에서 상기 제3-1 세그먼트의 양단부 중 일단부로부터 연장되며 상기 냉각 배출구와 마주보며 배치된 제3-2 세그먼트를 포함하는 연료 전지.
제4 항에 있어서,
상기 제1-2 세그먼트, 제2-2 세그먼트 및 제3-2 세그먼트 각각은 구배를 갖는 단면 형상을 갖는 연료 전지.
제4 항에 있어서,
단면상에서 상기 제1-1 세그먼트의 상기 양단부 중 타단부는 상기 냉각 유입용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 일측면과 접촉하고,
단면상에서 상기 제2-1 세그먼트의 상기 양단부 중 타단부는 상기 가스 유출용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 일측면과 접촉하고,
단면상에서 상기 제3-1 세그먼트의 상기 양단부 중 타단부는 상기 냉각 유출용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 일측면과 접촉하는 연료 전지.
제4 항에 있어서,
단면상에서 상기 제1-2 세그먼트의 양단부 중 일단부는 제1-1 세그먼트의 상기 일단부와 접하고, 타단부는 상기 냉각 유입용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 타측면과 접촉하고,
단면상에서 상기 제2-2 세그먼트의 양단부 중 일단부는 제2-1 세그먼트의 상기 일단부와 접하고, 타단부는 상기 가스 유출용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 타측면과 접촉하고,
단면상에서 상기 제3-2 세그먼트의 양단부 중 일단부는 제3-1 세그먼트의 상기 일단부와 접하고, 타단부는 상기 냉각 유출용 매니폴드의 상기 바닥면에 인접한 타측면과 접촉하는 연료 전지.
제1 항에 있어서, 단면상에서 상기 절연 부재의 길이는 상기 냉각 유입용 매니폴드, 상기 가스 유출용 매니폴드 및 상기 냉각 유출용 매니폴드 각각의 내주의 길이보다 작은 연료 전지.
제1 항에 있어서, 상기 절연 부재는 발수 코팅된 연료 전지.
제1 항에 있어서, 상기 절연 부재는 발수 화학 처리된 연료 전지.
제1 항에 있어서, 상기 절연 부재는
제1 두께를 갖는 제1 단부;
제2 두께를 가지며, 상기 제1 방향으로 상기 제1 단부의 반대측에 위치한 제2 단부; 및
제3 두께를 가지며, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에 배치된 몸체를 포함하는 연료 전지.
제11 항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 두께는 서로 동일한 연료 전지.
제11 항에 있어서, 상기 제1 두께는 상기 제2 두께보다 크고,
상기 제3 두께는 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부로 갈수록 감소하는 연료 전지.
제11 항에 있어서, 상기 제1 두께는 상기 제2 두께보다 작고,
상기 제3 두께는 상기 제2 단부로부터 상기 제1 단부로 갈수록 감소하는 연료 전지.
제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 중에서 상기 절연 부재가 배치된 엔드 플레이트는 결합 홈을 포함하고,
상기 절연 부재는 상기 결합 홈에 수용되는 결합 돌기를 포함하는 연료 전지.
제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 중에서 상기 절연 부재가 배치된 엔드 플레이트는 결합 돌기를 포함하고,
상기 절연 부재는 상기 결합 돌기를 수용하는 결합 홈을 포함하는 연료 전지.
제15 항 또는 제16 항에 있어서, 상기 결합 돌기와 상기 결합 홈은 동일한 물성을 갖는 연료 전지.
제1 항에 있어서, 상기 복수의 단위 셀 각각은
상기 제1 방향으로 이격되어 배치된 제1 및 제2 분리판을 포함하고,
상기 절연 부재는 상기 복수의 단위 셀 각각에 포함된 상기 제1 및 제2 분리판 사이에 형성된 수용홈에 수용되는 결합 돌기를 포함하는 연료 전지.
제2 항에 있어서,
상기 제1 절연 부재는 상기 제1 공간에서 복수의 상기 냉각 유입용 매니폴드와 정렬되어 배치되고,
상기 제2 절연 부재는 상기 제2 공간에서 복수의 상기 가스 유출용 매니폴드와 정렬되어 배치되고,
상기 제3 절연 부재는 상기 제3 공간에서 복수의 상기 냉각 유출용 매니폴드와 정렬되어 배치된 연료 전지.