KR20220014171A - 연료전지 셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 셀에 관한 것으로, 막전극접합체(MEA); 막전극접합체를 마주하는 유로부, 및 유로부로부터 이격되는 매니폴드부를 포함하며, 막전극접합체에 적층되는 분리판; 막전극접합체를 마주하는 분리판의 일면에 마련되며, 막전극접합체와 분리판의 사이를 밀폐하는 실링부재; 및 실링부재와 분리판의 사이에 개재되며, 매니폴드부와 유로부를 연결하는 연결채널을 정의하는 채널프레임;을 포함하는 것에 의하여, 작동 효율 및 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지 셀{FUEL CELL}

본 발명의 실시예는 연료전지 셀에 관한 것으로, 보다 구체적으로 작동 효율 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 셀에 관한 것이다.

연료전지 스택은, 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 일종의 발전 장치로서, 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위 셀)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.

보다 구체적으로, 연료전지 셀은, 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 및 막전극접합체의 양면에 각각 배치되는 분리판을 포함하여 구성될 수 있다.

분리판은 연료(예를 들어, 수소) 및 반응기체(예를 들어, 공기)를 막전극접합체에 각각 공급하는 기체유로와, 냉각수를 유통시키는 냉각유로를 구비한다.

또한, 연료전지 셀을 적층하여 연료전지 스택을 구성하기 위해서는, 막전극접합체와 분리판의 반응면 사이, 및 분리판의 냉각면 사이에 기밀이 유지될 수 있어야 한다.

이를 위해, 막전극접합체와 분리판의 반응면 사이 및 분리판의 냉각면 사이에는 가스켓이 마련된다. 즉, 가스켓은 분리판의 반응면으로 유동하는 기체(수소 및 공기), 분리판의 냉각면으로 유동하는 냉각수가 연료전지 스택의 외부로 누설되는 것을 방지하기 위해 마련된다.

가스켓은 분리판의 양면 가장자리 부분 및 기체와 냉각수를 유출입시키는 매니폴드의 양면 가장자리 부분에 일체로 사출 성형될 수 있으며, 가스켓에 의해 기체 및 냉각수의 유동 경로가 정의될 수 있다.

한편, 연료전지 셀의 적층시 기밀성을 확보하기 위해서는, 가스켓이 마련된 복수개의 연료전지 셀에 충분한 체결압이 인가될 수 있어야 한다.

그런데, 기존에는 연료전지 셀에 체결압(가압력)이 인가될 시, 분리판의 양면에 마련된 가스켓이 변형(과압축)되는 문제점이 있다. 더욱이, 가스켓에 변형이 발생하면, 기체 및 냉각수의 유동 경로(유로 단면적)를 충분하게 확보하기 어려워 기체 및 냉각수가 분리판의 반응 영역(인렛 매니폴드와 아웃렛 매니폴드의 사이의 유로부)으로 원활하게 공급되기 어렵고, 기체 및 냉각수의 누설이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 기존에는 매니폴드를 통해 공급된 기체(수소 및 공기)가 분리판의 양면에 형성된 가스켓 및 분리판에 형성된 관통홀에 의해 정의되는 절곡된 유동 경로를 거쳐 분리판의 반응 영역으로 공급됨에 따라, 매니폴드의 양단(인렛 매니폴드 vs 아웃렛 매니폴드)에서 차압이 발생하는 문제점이 있고, 이로 인해 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.

특히, 기존에는 매니폴드를 통해 공급된 기체가 3번의 절곡된 이동경로(가스켓에 의해 분리판 저면에 정의된 제1이동경로 → 분리판에 관통 형성된 통과홀을 통과하는 제2이동경로 → 가스켓에 의해 분리판의 상면에 정의된 제3이동경로)를 거쳐 분리판의 반응 영역으로 공급되어야 함에 따라, 매니폴드의 양단 차압이 증가하고, 기체의 유동 효율이 저하되는 문제점이 있다.

이에 따라, 최근에는 연료전지 셀에서 기체의 원활한 공급을 보장하면서 차압을 최소화하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예는 작동 효율 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명의 실시예는 기체 및 냉각수의 안정적인 유동 흐름을 보장하고, 유동 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 기체 및 냉각수의 누설을 최소화하고, 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 기체의 유동 경로를 단축하고, 연료전지 셀에서의 차압 증가를 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 구조 및 제작 공정을 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 셀은, 막전극접합체(MEA); 막전극접합체를 마주하는 유로부, 및 유로부로부터 이격되는 매니폴드부를 포함하며, 막전극접합체에 적층되는 분리판; 막전극접합체를 마주하는 분리판의 일면에 마련되며, 막전극접합체와 분리판의 사이를 밀폐하는 실링부재; 및 실링부재와 분리판의 사이에 개재되며, 매니폴드부와 유로부를 연결하는 연결채널을 정의하는 채널프레임;을 포함한다.

이는, 연료전지 셀의 작동 효율 및 에너지 효율을 향상시키기 위함이다.

즉, 기존에는 연료전지 셀에 체결압(가압력)이 인가될 시, 분리판의 양면에 마련된 가스켓이 변형(과압축)되는 문제점이 있다. 더욱이, 가스켓에 변형이 발생하면, 기체 및 냉각수의 유로 단면적을 충분하게 확보하기 어려워 기체 및 냉각수가 분리판의 반응 영역(인렛 매니폴드와 아웃렛 매니폴드의 사이의 유로부)으로 원활하게 공급되기 어렵고, 기체 및 냉각수의 누설이 발생하는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명은 본 발명의 실시예는, 실링부재와 분리판의 사이에 개재되는 채널프레임에 의해 매니폴드부와 유로부를 연결하는 연결채널이 정의되도록 하는 것에 의하여, 연결채널의 단면적(반응기체가 유동하는 단면적)을 안정적으로 확보할 수 있으며, 매니폴드부를 통해 유입된 반응기체를 유로부(반응 영역)로 원활하게 공급하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 매니폴드부는, 유로부의 일단에 이격되는 제1매니폴드, 및 유로부의 다른 일단에 이격되는 제2매니폴드를 포함할 수 있다.

바람직하게, 제1매니폴드 및 제2매니폴드 중 어느 하나에는 기체가 유입되고, 제1매니폴드 및 제2매니폴드 중 다른 하나에는 기체 배출될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 실링부재는, 분리판의 가장자리를 따라 형성되는 제1실링부, 및 매니폴드부의 둘레를 감싸도록 형성되며 가이드 제1실링부에 연결되는 제2실링부를 포함하고, 채널프레임은 제2실링부와 분리판의 사이에 마련될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 채널프레임은, 제1매니폴드 및 유로부의 사이와, 제2매니폴드 및 유로부의 사이에 각각 마련된다.

바람직하게, 채널프레임은 강체(rigid body)로 형성된다. 이와 같이, 연결채널을 형성하는 채널프레임을 강체로 형성하는 것에 의하여, 연료전지 셀에 체결압(가압력)이 인가되더라도, 채널프레임의 변형을 최소화할 수 있으므로, 채널프레임에 마련된 연결채널의 단면적(반응기체가 유동하는 단면적)을 안정적으로 확보할 수 있으며, 매니폴드부를 통해 유입된 반응기체를 유로부(반응 영역)로 원활하게 공급하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 실링부재와 분리판의 사이에 강체로 형성된 채널프레임을 마련하는 것에 의하여, 실링부재의 과압축 또는 변형을 최소화할 수 있으므로, 실링부재가 과압축됨에 따른 반응기체 및 냉각수의 누설을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연결채널은 직선 형태로 정의된다.

기존에는 매니폴드를 통해 공급된 기체가 분리판의 양면에 형성된 가스켓 및 분리판에 형성된 관통홀에 의해 정의되는 절곡된 유동 경로(가스켓에 의해 분리판 저면에 정의된 제1이동경로 → 분리판에 관통 형성된 통과홀을 통과하는 제2이동경로 → 가스켓에 의해 분리판의 상면에 정의된 제3이동경로)를 거쳐 분리판의 반응 영역으로 공급됨에 따라, 매니폴드의 양단 차압이 증가하고, 기체의 유동 효율이 저하되는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는, 연결채널을 직선 형태로 형성하는 것에 의하여, 매니폴드부에 유입된 반응기체가 직선 형태의 연결채널에 의해 정의되는 직선 경로를 따라 유로부로 유동(또는 유로부에서 매니폴드부로 유동)될 수 있으므로, 반응기체의 유동 경로를 간소화할 수 있으며, 매니폴드의 양단 차압이 발생하는 것을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 매니폴드부에서 유로부로 유동하는 반응기체의 유동 효율을 향상시킬 수 있으며, 차압 증가에 따른 에너지 효율 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 기존에는 분리판에 관통 형성된 통과홀을 통과하는 반응기체를 반응 영역(유로부)으로 안내하기 위하여, 분리판과 막전극접합체의 사이를 밀폐하는 가스켓은 별도의 실링라인(통과홀의 주변에서 유로부를 향해 형성되는 실링라인)을 포함해야 하므로, 불가피하게 가스켓의 구조 및 제조 공정이 복잡해지고, 설계자유도 및 공간활용성이 저하되는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는, 매니폴드부에 유입된 반응기체가 채널프레임에 의해 정의되는 연결채널을 통해 곧바로 유로부(반응 영역)로 공급되도록 하는 것에 의하여, 실링부재에 별도의 실링라인을 형성하지 않아도 되므로, 실링부재의 구조 및 제조 공정을 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

채널프레임은 연결채널을 형성할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.

일 예로, 채널프레임은, 분리판에 접촉되는 제1프레임부, 및 제1프레임부에 연결되되 분리판의 표면으로부터 이격되며 연결채널을 형성하는 제2프레임부를 포함할 수 있다.

바람직하게, 제1프레임부 및 제2프레임부는, 유로부에 대응하여 복수개가 마련되되, 제1프레임부 및 제2프레임부는 대략 연속적인 파형(waveform)을 이루도록 교호적(alternation)으로 배치된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 셀은, 채널프레임에 형성되는 가이드돌기, 및 분리판에 형성되며 가이드돌기가 수용되는 가이드홈을 포함할 수 있다.

이와 같이, 가이드돌기가 가이드홈에 수용되도록 하는 것에 의하여, 분리판에 대한 채널프레임의 배치 상태 및 자세를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 특히, 가이드돌기가 가이드홈에 수용되도록 하는 것에 의하여, 실링부재를 형성(예를 들어, 사출 성형)하는 중에, 분리판에 대한 채널프레임의 이동을 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게, 가이드돌기는 제1프레임부의 일부를 부분적으로 절곡하여 형성된다. 이와 같이, 제1프레임부의 일부를 부분적으로 절곡하여 가이드돌기를 형성하는 것에 의하여, 가이드돌기의 제조 공정을 간소화하고, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1프레임부는 분리판에 일체로 접합될 수 있다.

이와 같이, 제1프레임부가 분리판에 일체로 접합되도록 하는 것에 의하여, 분리판에 대한 채널프레임의 배치 상태를 보다 안정적으로 유지하고, 서로 인접한 연결채널 간의 밀폐 성능을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 채널프레임은, 제1프레임부에 연결되며, 유로부 영역의 외측 영역에 배치되는 제3프레임부를 더 포함할 수 있고, 제3프레임부는 매니폴드부와 유로부를 연결하는 응측수채널을 정의할 수 있다.

이와 같이, 제2매니폴드 및 유로부의 사이에 마련되는 채널프레임에 응측수채널을 정의하는 제3프레임부를 마련하는 것에 의하여, 유로부에서 발생하는 응축수를 제2매니폴드(수소 아웃렛 매니폴드)로 안내할 수 있으므로, 유로부에서 발생하는 응축수를 보다 원활하게 배출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 작동 효율 및 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면 기체 및 냉각수의 안정적인 유동 흐름을 보장하고, 유동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 기체 및 냉각수의 누설을 최소화하고, 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 기체의 유동 경로를 단축하고, 연료전지 셀에서의 차압 증가를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 구조 및 제작 공정을 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀을 설명하기 위한 분리사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀로서, 분리판 및 실링부재를 설명하기 위한 분리사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀로서, 분리판을 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 도 3의 'A-A'선 단면도이다.
도 5는 도 3의 'B-B'선 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀로서, 채널프레임을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 셀로서, 연결채널을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.

이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 연료전지 셀(10)은, 막전극접합체(MEA)(100); 막전극접합체(100)를 마주하는 유로부(20), 및 유로부(20)로부터 이격되는 매니폴드부(30)를 포함하며, 막전극접합체(100)에 적층되는 분리판(200); 막전극접합체(100)를 마주하는 분리판(200)의 일면에 마련되며, 막전극접합체(100)와 분리판(200)의 사이를 밀폐하는 실링부재(220); 및 실링부재(220)와 분리판(200)의 사이에 개재되며, 매니폴드부(30)와 유로부(20)를 연결하는 연결채널(231)을 정의하는 채널프레임(230);을 포함한다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 분리판(200)이라 함은, 연료인 수소의 유로를 형성하는 제1분리판(200a)(애노드 분리판), 및 산화제인 공기의 유로를 형성하는 제2분리판(200b)(캐소드 분리판)을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.

아울러, 본 발명의 실시예에서 제1분리판(200a) 및 제2분리판(200b)은 박막 금속 형태로 마련될 수 있다. 제1분리판(200a) 및 제2분리판(200b)은 막전극접합체(100)와 함께 하나의 연료전지 셀(단위 셀)(10)을 이루며 서로 독립적으로 수소, 공기, 냉각수의 유로를 형성할 수 있다.

즉, 연료전지 셀(단위 셀)(10)은, 막전극접합체(100), 막전극접합체(100)의 일면에 적층되는 제1분리판(200a), 및 막전극접합체(100)의 다른 일면에 적층되는 제2분리판(200b)을 포함할 수 있으며, 복수개의 연료전지 셀(10)을 기준 방향(예를 들어, 상하 방향)으로 적층한 후, 그 양단에 엔드플레이트(미도시)를 조립함으로써 연료전지 스택(미도시)을 구성할 수 있다.

막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(100)는, 제1반응기체인 연료(예를 들어, 수소)와 제2반응기체인 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하도록 마련된다.

막전극접합체(100)의 구조 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 막전극접합체(100)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 막전극접합체(100)는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착되어 구성될 수 있다. 또한, 막전극접합체(100)의 양측에는 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시)이 마련될 수 있다.

연료인 수소와 산화제인 공기가 제1분리판(200a) 및 제2분리판(200b)의 유로(22)를 통해 막전극접합체(100)의 애노드(미도시)와 캐소드(미도시)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구비된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판(200)을 통해 캐소드로 전달된다.

캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판(200)을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

분리판(200)은, 제1반응기체(예를 들어, 수소) 및 제2반응기체(예를 들어, 공기)를 막전극접합체(100)에 공급하도록 마련되며, 연료전지 셀(10)의 적층 방향을 기준으로 막전극접합체(100)의 일측 및 타측에 밀착되게 배치된다.

일 예로, 도 1을 기준으로, 막전극접합체(100)의 저면 및 상면에는 각각 분리판(200)(제1분리판 및 제2분리판)이 적층될 수 있다.

보다 구체적으로, 분리판(200)은 막전극접합체(100)의 일면에 밀착되되, 막전극접합체(100)를 마주하는 제1분리판(200a)의 일면(도 1을 기준으로 상면)에는 반응기체(수소 또는 공기)가 유동되는 유로부(20)가 형성되고, 분리판(200)의 다른 일면(도 1을 기준으로 저면)에는 냉각수가 유동되는 냉각채널(미도시)이 형성된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 분리판(200)의 중앙부에는 막전극접합체(100)의 일면을 마주하도록 마련되어 반응 영역을 형성하는 유로부(20)가 형성된다. 유로부(20)는 서로 이격되게 배치되는 복수개의 유로(22)를 포함할 수 있으며, 유로(22)의 개수 및 배치 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

유로부(20)를 사이에 두고 분리판(200)의 양단부에는 각각 수소, 공기, 및 냉각수를 유동(공급 및 배출)시키기 위한 매니폴드부(30)(예를 들어, 수소 매니폴드, 냉각수 매니폴드, 공기 매니폴드)가 관통 형성된다.

일 예로, 분리판(200)의 일단(도 3을 기준으로 좌측단)에는 유로부(20)의 일단에 이격되게 제1매니폴드(30a)가 형성되고, 분리판(200)의 다른 일단(도 3을 기준으로 우측단)에는 유로부(20)의 다른 일단에 이격되게 제2매니폴드(30b)가 형성될 수 있다.

바람직하게, 제1매니폴드(30a) 및 제2매니폴드(30b) 중 어느 하나에는 기체(반응기체)가 유입되고, 제1매니폴드(30a) 및 제2매니폴드(30b) 중 다른 하나에는 기체 배출될 수 있다.

일 예로, 제1매니폴드(30a)는, 수소가 공급되는 수소 인렛 매니폴드(32a), 냉각수가 공급되는 냉각수 인렛 매니폴드(36a), 공기가 배출되는 공기 아웃렛 매니폴드(34b)를 포함할 수 있다. 또한, 제2매니폴드(30b)는 수소가 배출되는 수소 아웃렛 매니폴드(32b), 냉각수가 배출되는 냉각수 아웃렛 매니폴드(36b), 공기가 공급되는 공기 인렛 매니폴드(34a)를 포함할 수 있다.

매니폴드부(30)의 구조 및 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 매니폴드부(30)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 수소 인렛 매니폴드(32a), 냉각수 인렛 매니폴드(36a), 및 공기 아웃렛 매니폴드(34b)는 대략 사각형 홀 형태로 분리판(200)의 일단에 관통 형성될 수 있다. 마찬가지로, 수소 아웃렛 매니폴드(32b), 냉각수 아웃렛 매니폴드(36b), 공기 인렛 매니폴드(34a)는 대략 사각형 홀 형태로 분리판(200)의 다른 일단에 관통 형성될 수 있다.

실링부재(220)는 막전극접합체(100)를 마주하는 분리판(200)의 일면에 구비되며, 막전극접합체(100)와 분리판(200)의 사이를 밀폐(실링)하도록 마련된다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 실링부재(220)가 막전극접합체(100)와 분리판(200)의 사이를 밀폐한다 함은, 실링부재(220)가 막전극접합체(100)와 제1분리판(200a)의 사이, 및 막전극접합체(100)와 제2분리판(200b)의 사이를 각각 밀폐하는 것으로 정의된다.

보다 구체적으로, 실링부재(220)는, 분리판(200)의 가장자리를 따라 형성되는 제1실링부(222), 및 매니폴드부(30)의 둘레를 감싸도록 형성되며 가이드 제1실링부(222)에 연결되는 제2실링부(224)를 포함할 수 있다.

일 예로, 제1실링부(222)는 분리판(200)의 일면 및 다른 일면의 표면 상에서 분리판(200)의 가장자리를 따라 대략 사각링 형태를 갖도록 분리판(200)에 사출 성형될 수 있으며, 외부 방향으로 반응기체 또는 냉각수가 누설되는 것을 차단(기밀)하기 위해 마련된다.

제2실링부(224)는 분리판(200)의 일면 및 다른 일면의 표면 상에서 매니폴드부(30)의 둘레를 따라 분리판(200)에 사출 성형될 수 있으며, 제1실링부(222)에 일체로 연결된다.

여기서, 제2실링부(224)가 매니폴드부(30)의 둘레를 감싸도록 형성된다 함은, 수소 인렛 매니폴드(32a), 냉각수 인렛 매니폴드(36a), 공기 아웃렛 매니폴드(34b), 수소 아웃렛 매니폴드(32b), 냉각수 아웃렛 매니폴드(36b), 공기 인렛 매니폴드(34a)가 제2실링부(224)에 의해 각각 개별적으로 밀폐되는 것으로 정의될 수 있다.

제2실링부(224)는 매니폴드부(30)를 밀폐할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제2실링부(224)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 제2실링부(224)는, 매니폴드부(30)와 유로부(20)의 사이 영역에 배치되는 제1실링라인(224a), 및 서로 인접한 매니폴드(예를 들어, 수소 인렛 매니폴드와 냉각수 인렛 매니폴드, 또는 냉각수 인렛 매니폴드와 공기 아웃렛 매니폴드)의 사이 영역에 배치되는 제2실링라인(224b)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 3을 기준으로, 제1실링라인(224a)은 대략 상하 방향을 따라 배치될 수 있으며, 제1실링라인(224a)의 일단 및 다른 일단은 각각 제1실링부(222)에 연결될 수 있다. 제2실링라인(224b)은 대략 좌우 방향을 따라 배치될 수 있으며, 제2실링라인(224b)의 일단은 제1실링부(222)에 연결되고, 제2실링라인(224b)의 다른 일단은 제2실링라인(224b)에 연결될 수 있다.

도 2 내지 도 7을 참조하면, 채널프레임(230)은 실링부재(220)와 분리판(200)의 사이에 개재되며, 매니폴드부(30)와 유로부(20)를 연결하는 연결채널(231)을 정의하도록 마련된다.

보다 구체적으로, 채널프레임(230)은 제2실링부(224)와 분리판(200)의 사이에 마련되며, 매니폴드부(30)와 유로부(20)를 연결하는 연결채널(231)을 정의한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 채널프레임(230)은, 제1매니폴드(30a) 및 유로부(20)의 사이와, 제2매니폴드(30b) 및 유로부(20)의 사이에 각각 마련된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1매니폴드 및 유로부의 사이와, 제2매니폴드 및 유로부의 사이 중 어느 하나에만 채널프레임을 마련하는 것도 가능하다.

바람직하게, 채널프레임(230)은 플라스틱 또는 금속 등과 같이 가압력에 의해 쉽게 변형되지 않는 강체(rigid body)로 형성된다.

이와 같이, 연결채널(231)을 형성하는 채널프레임(230)을 강체로 형성하는 것에 의하여, 연료전지 셀(10)에 체결압(가압력)이 인가되더라도, 채널프레임(230)의 변형(예를 들어, 압축)을 최소화할 수 있으므로, 채널프레임(230)에 마련된 연결채널(231)의 단면적(반응기체가 유동하는 단면적)을 안정적으로 확보할 수 있으며, 매니폴드부(30)를 통해 유입된 반응기체를 유로부(20)(반응 영역)로 원활하게 공급하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

더욱이, 본 발명의 실시예는 실링부재(220)와 분리판(200)의 사이에 채널프레임(230)을 마련하는 것에 의하여, 실링부재(220)의 과압축 또는 변형을 최소화할 수 있으므로, 실링부재(220)가 과압축됨에 따른 반응기체 및 냉각수의 누설을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

더욱 바람직하게, 연결채널(231)은 직선 형태로 정의된다. 일 예로, 채널프레임(230)은 직선 구조로 형성될 수 있으며, 채널프레임(230)의 길이 방향을 따라서 직선 형태의 연결채널(231)이 형성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 연결채널(231)을 직선 형태로 형성하는 것에 의하여, 매니폴드부(30)에 유입된 반응기체가 직선 형태의 연결채널(231)에 의해 정의되는 직선 경로(도 7의 PP1 참조)를 따라 유로부(20)로 유동(또는 유로부(20)에서 매니폴드부(30)로 유동)될 수 있으므로, 반응기체의 유동 경로를 간소화(직선화)할 수 있으며, 매니폴드의 양단 차압이 발생하는 것을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 매니폴드부(30)에서 유로부(20)로 유동하는 반응기체의 유동 효율을 향상시킬 수 있으며, 차압 증가에 따른 에너지 효율 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 기존에는 매니폴드를 통해 공급된 기체가 분리판(200)의 양면에 형성된 가스켓 및 분리판(200)에 형성된 관통홀에 의해 정의되는 복잡한 유동 경로(가스켓에 의해 분리판(200) 저면에 정의된 제1이동경로 → 분리판(200)에 관통 형성된 통과홀을 통과하는 제2이동경로 → 가스켓에 의해 분리판(200)의 상면에 정의된 제3이동경로)(도 7의 PP2 참조)를 거쳐 분리판(200)의 반응 영역으로 공급됨에 따라, 매니폴드의 양단 차압이 증가하고, 기체의 유동 효율이 저하되는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는 매니폴드부(30)에서 유로부(20)로 유동하는 반응기체의 유동 경로를 직선화하는 것에 의하여, 매니폴드의 양단 차압이 발생하는 것을 최소화하고, 반응기체의 유동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 기존에는 분리판에 관통 형성된 통과홀을 통과하는 반응기체를 반응 영역(유로부)으로 안내하기 위하여, 분리판과 막전극접합체의 사이를 밀폐하는 가스켓은 별도의 실링라인(통과홀의 주변에서 유로부를 향해 형성되는 실링라인)(미도시)을 포함해야 하므로, 불가피하게 가스켓의 구조 및 제조 공정이 복잡해지고, 설계자유도 및 공간활용성이 저하되는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는, 매니폴드부(30)에 유입된 반응기체가 채널프레임(230)에 의해 정의되는 연결채널(231)을 통해 곧바로 유로부(20)(반응 영역)로 공급되도록 하는 것에 의하여, 실링부재(220)에 별도의 실링라인을 형성하지 않아도 되므로, 실링부재(220)의 구조 및 제조 공정을 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

채널프레임(230)은 연결채널(231)을 형성할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 연결채널(231)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 채널프레임(230)은, 분리판(200)에 접촉되는 제1프레임부(232), 및 제1프레임부(232)에 연결되되 분리판(200)의 표면으로부터 이격되며 연결채널(231)을 형성하는 제2프레임부(234)를 포함할 수 있다.

제1프레임부(232)는 분리판(200)에 접촉 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다. 바람직하게, 제1프레임부(232)는 분리판(200)의 표면에 면접촉되도록 형성될 수 있다.

제2프레임부(234)는 분리판(200)의 표면으로부터 이격되며 연결채널(231)을 형성 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 제2프레임부(234)는 대략 사다리꼴 단면 형태를 갖도록 제1프레임부(232)의 단부에 연결될 수 있으며, 분리판(200)의 표면과 제2프레임부(234)의 내면 사이에는 대략 사다리꼴 단면 형태의 연결채널(231)이 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2프레임부가 원호 또는 타원 단면 형태 또는 여타 다른 다각형(예를 들어, 삼각형, 사각형, 오각형) 단면 형태를 갖도록 형성하는 것도 가능하다.

바람직하게, 제1프레임부(232) 및 제2프레임부(234)는, 유로부(20)에 대응하여 복수개가 마련되되, 제1프레임부(232) 및 제2프레임부(234)는 대략 연속적인 파형(waveform)을 이루도록 교호적(alternation)으로 배치된다.

즉, 채널프레임(230)을 구성하는 복수개의 제1프레임부(232) 및 제2프레임부(234)는 '제1프레임부(232)→제2프레임부(234)→제1프레임부(232)→제2프레임부(234)'의 순서로 교호적으로 배치될 수 있다.

여기서, 제1프레임부(232) 및 제2프레임부(234)가 유로부(20)에 대응하여 복수개가 마련된다 함은, 유로부(20)의 유로(22) 개수에 대응하여 제1프레임부(232) 및 제2프레임부(234)의 개수가 정해지는 것으로 이해될 수 있다.

참고로, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 복수개의 제1프레임부(232) 및 제2프레임부(234)가 모두 동일한 형상 및 사이즈를 갖도록 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수개의 제1프레임부 및 제2프레임부가 서로 다른 형상 및 사이즈를 갖도록 형성하는 것도 가능하다.

다르게는, 채널프레임을 구성하는 복수개의 제1프레임부 및 제2프레임부 중 일부가 서로 동일한 종류끼리 연속적으로 연결되도록 구성하는 것도 가능하다. 가령, 채널프레임을 구성하는 복수개의 제1프레임부 및 제2프레임부(234) 중 일부를, '제1프레임부→제2프레임부→제2프레임부→제1프레임부→제1프레임부→제2프레임부'의 순서로 배치하는 것도 가능하다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 셀(10)은, 채널프레임(230)에 형성되는 가이드돌기(232a), 및 분리판(200)에 형성되며 가이드돌기(232a)가 수용되는 가이드홈(212)을 포함할 수 있다.

일 예로, 분리판(200)을 마주하는 제1프레임부(232)의 저면에는 가이드돌기(232a)가 형성될 수 있으며, 분리판(200)에는 가이드돌기(232a)에 대응하는 가이드홈(212)이 형성될 수 있다.

이와 같이, 가이드돌기(232a)가 가이드홈(212)에 수용되도록 하는 것에 의하여, 분리판(200)에 대한 채널프레임(230)의 배치 상태 및 자세를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 특히, 가이드돌기(232a)가 가이드홈(212)에 수용되도록 하는 것에 의하여, 실링부재(220)를 형성(예를 들어, 사출 성형)하는 중에, 분리판(200)에 대한 채널프레임(230)의 이동을 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게, 가이드돌기(232a)는 제1프레임부(232)의 일부를 부분적으로 절곡하여 형성된다. 이와 같이, 제1프레임부(232)의 일부를 부분적으로 절곡하여 가이드돌기(232a)를 형성하는 것에 의하여, 가이드돌기(232a)의 제조 공정을 간소화하고, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 별도로 제작된 가이드돌기를 제1프레임부에 부착하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1프레임부(232)는 분리판(200)에 일체로 접합될 수 있다.

일 예로, 제1프레임부(232)는 용접(예를 들어, 티그 용접, 레이저 용접, 마찰 용접), 융착(예를 들어, 레이저 융착), 접착(예를 들어, 접착제를 이용한 접착) 중 적어도 어느 하나의 방식에 의해 분리판(200)에 일체로 접합될 수 있다.

이와 같이, 제1프레임부(232)가 분리판(200)에 일체로 접합되도록 하는 것에 의하여, 분리판(200)에 대한 채널프레임(230)의 배치 상태를 보다 안정적으로 유지하고, 서로 인접한 연결채널(231) 간의 밀폐 성능을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 채널프레임(230)은, 제1프레임부(232)에 연결되며, 유로부(20) 영역(FPZ)의 외측 영역(OSZ)에 배치되는 제3프레임부(236)를 더 포함할 수 있고, 제3프레임부(236)는 매니폴드부(30)와 유로부(20)를 연결하는 응측수채널(236a)을 정의할 수 있다.

바람직하게, 응측수채널(236a)은 제3프레임부(236)의 길이 방향을 따라 직선 형태로 형성된다.

더욱 바람직하게, 제3프레임부(236)는 제2매니폴드(30b) 및 유로부(20)의 사이에 마련되는 채널프레임(230)에 구비될 수 있다.

이와 같이, 제2매니폴드(30b) 및 유로부(20)의 사이에 마련되는 채널프레임(230)에 응측수채널(236a)을 정의하는 제3프레임부(236)를 마련하는 것에 의하여, 유로부(20)에서 발생하는 응축수를 제2매니폴드(30b)(수소 아웃렛 매니폴드)로 안내할 수 있으므로, 유로부(20)에서 발생하는 응축수를 보다 원활하게 배출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 연료전지 셀(10)이 수직하게 배치(분리판의 일면이 수평 방향을 향하도록 배치)되는 경우, 연료전지 셀(10)의 하부 영역에 모여지는(중력에 의해 낙하하여 모여지는) 응축수를 응축수채널(236a)을 통해 보다 신속하게 배출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

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

10 : 연료전지 셀
20 : 유로부
22 : 유로
30 : 매니폴드부
30a : 제1매니폴드
30b : 제2매니폴드
32a : 수소 인렛 매니폴드
32b : 수소 아웃렛 매니폴드
34a : 공기 인렛 매니폴드
34b : 공기 아웃렛 매니폴드
36a : 냉각수 인렛 매니폴드
36b : 냉각수 아웃렛 매니폴드
100 : 막전극접합체
200 : 분리판
200a : 제1분리판
200b : 제2분리판
212 : 가이드홈
220 : 실링부재
222 : 제1실링부
224 : 제2실링부
224a : 제1실링라인
224b : 제2실링라인
230 : 채널프레임
231 : 연결채널
232 : 제1프레임부
232a : 가이드돌기
234 : 제2프레임부
236 : 제3프레임부
236a : 응측수채널

Claims (13)

1. 막전극접합체(MEA);
   상기 막전극접합체를 마주하는 유로부, 및 상기 유로부로부터 이격되는 매니폴드부를 포함하며, 상기 막전극접합체에 적층되는 분리판;
   상기 막전극접합체를 마주하는 상기 분리판의 일면에 마련되며, 상기 막전극접합체와 상기 분리판의 사이를 밀폐하는 실링부재; 및
   상기 실링부재와 상기 분리판의 사이에 개재되며, 상기 매니폴드부와 상기 유로부를 연결하는 연결채널을 정의하는 채널프레임;
   을 포함하는 연료전지 셀.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 실링부재는,
   상기 분리판의 가장자리를 따라 형성되는 제1실링부; 및
   상기 매니폴드부의 둘레를 감싸도록 형성되며, 상기 제1실링부에 연결되는 제2실링부;를 포함하고,
   상기 채널프레임은 상기 제2실링부와 상기 분리판의 사이에 마련되는 연료전지 셀.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 매니폴드부는,
   상기 유로부의 일단에 이격되는 제1매니폴드; 및
   상기 유로부의 다른 일단에 이격되는 제2매니폴드;
   를 포함하는 연료전지 셀.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 채널프레임은, 상기 제1매니폴드 및 상기 유로부의 사이와, 상기 제2매니폴드 및 상기 유로부의 사이에 각각 마련되는 연료전지 셀.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 채널프레임은,
   상기 분리판에 접촉되는 제1프레임부; 및
   상기 제1프레임부에 연결되되, 상기 분리판의 표면으로부터 이격되며 상기 연결채널을 형성하는 제2프레임부;
   를 포함하는 연료전지 셀.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1프레임부 및 상기 제2프레임부는, 상기 유로부에 대응하여 복수개가 마련되되,
   상기 제1프레임부 및 상기 제2프레임부는 연속적인 파형(waveform)을 이루도록 교호적으로 배치되는 연료전지 셀.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 채널프레임은,
   상기 제1프레임부에 연결되며, 상기 유로부의 외측 영역에 배치되는 제3프레임부를 포함하고,
   상기 제3프레임부는 상기 매니폴드부와 상기 유로부를 연결하는 응측수채널을 정의하는 연료전지 셀.
   
8. 제5항에 있어서,
   상기 채널프레임에 형성되는 가이드돌기; 및
   상기 분리판에 형성되며, 상기 가이드돌기가 수용되는 가이드홈;
   을 포함하는 연료전지 셀.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 가이드돌기는 상기 제1프레임부의 일부를 부분적으로 절곡하여 형성되는 연료전지 셀.
   
10. 제5항에 있어서,
    상기 제1프레임부는 상기 분리판에 일체로 접합되는 연료전지 셀.
    
11. 제3항에 있어서,
    상기 제1매니폴드 및 상기 제2매니폴드 중 어느 하나에는 기체가 유입되고,
    상기 제1매니폴드 및 상기 제2매니폴드 중 다른 하나에는 상기 기체 배출되는 연료전지 셀.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 채널프레임은 강체(rigid body)로 형성되는 연료전지 셀.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 연결채널은 직선 형태로 정의되는 연료전지 셀.
    

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