KR20230095602A - 연료전지용 분리판 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀 - Google Patents

연료전지용 분리판 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외측 기밀라인을 형성하는 가스켓의 일부를 제거하여 내측 기밀라인과 외측 기밀라인 사이에 생성수가 잔류되어 적체되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 분리판 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판 유닛은 연료전지의 단위셀에 사용되는 분리판 유닛으로서, 중앙에는 반응영역이 형성되고, 상기 반응영역의 양측으로 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드가 형성되며, 일면에 반응면이 형성되고, 타면에 냉각면이 형성되는 분리판과; 상기 분리판의 반응면에 형성되고, 상기 반응영역을 둘러싸되 반응기체가 유입 및 배출되는 경로를 확보하면서 반응면 내측 기밀라인을 형성하는 반응면 내측 가스켓과; 상기 분리판의 반응면에 형성되고, 반응면 내측 가스켓과 다수의 매니폴드를 둘러싸면서 반응면 외측 기밀라인을 형성하는 반응면 외측 가스켓을 포함하고, 상기 반응면 외측 기밀라인 중 상기 다수의 매니폴드 중 적어도 어느 하나의 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에는 상기 반응면 외측 가스켓이 제거된 적어도 하나 이상의 컷부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 분리판 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀{Separator unit for fuel cell and Unit cell for fuel cell including same}
본 발명은 연료전지용 분리판 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외측 기밀라인을 형성하는 가스켓의 일부를 제거하여 내측 기밀라인과 외측 기밀라인 사이에 생성수가 잔류되어 적체되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 분리판 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 단위셀은 가장 안쪽에 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극접합체(10)는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(11)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 연료극(12: anode) 및 공기극(13: cathode)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 막전극 집합체(10)의 바깥 부분, 즉 연료극(12) 및 공기극(13)이 위치한 바깥 부분에는 한 쌍의 가스확산층(20, GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 가스확산층(20)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판 조립체(30)가 가스켓라인(40)을 사이에 두고 위치된다.
이때 분리판 조립체(30)는 연료극(anode)에 배치되는 애노드 분리판(31)과 공기극(cathode)에 배치되는 캐소드 분리판(32)이 서로 대면되면서 접합되어 이루어진다.
한편, 연료전지 스택은 다수의 단위셀이 적층되어 이루어지는데, 적층되는 단위셀의 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트(50, End plate)가 결합된다.
이때 어느 하나의 단위셀에 배치되는 애노드 분리판(31)은 그 단위셀에 인접배치되는 다른 단위셀의 캐소드 분리판(32)과 맞대어지도록 배치되어 적층된다.
이에 따라 단위셀의 적층 공정을 원활하게 실시하고, 각 단위셀들의 정렬을 유지하기 위하여 서로 맞대어지도록 배치되는 서로 인접되는 단위셀의 캐소드 분리판(32)과 애노드 분리판(31)을 일체화 시킨 분리판 조립체(30)를 사용하여 단위셀을 구성한다.
이때 분리판 조립체(30)를 구성하는 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32)은 접합되어 일체화 되면서 매니폴드가 서로 연통되고, 반응영역이 서로 동일한 위치에 배치되도록 유사한 형상으로 구성된다.
한편 분리판 조립체(30)에서 다수의 매니폴드와 반응영역은 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되거나 유동되는 공간으로서, 기밀을 위하여 그 둘레를 따라 기밀라인이 가스켓(40)에 의해 형성된다.
일반적으로 기밀라인은 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32) 중 적어도 어느 하나의 분리판 표면에 고무재질의 가스켓(40)을 소정 두께로 사출하여 형성한다.
예를 들어 최근에는 공정의 편의를 위하여 애노드 분리판(31)에는 가스켓이 형성되지 않고, 캐소드 분리판(32)의 캐소드 반응면 및 캐소드 냉각면에 다양한 형태로 가스켓(40)이 형성하는 방식이 사용되고 있다.
도 2a는 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 애노드 분리판을 보여주는 도면이며, 도 2b는 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 캐소드 분리판의 캐소드 반응면을 보여주는 도면이며, 도 2c는 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 캐소드 분리판의 캐소드 냉각면을 보여주는 도면이다.
도 2a와 같이 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 애노드 분리판(31)은 중앙 영역에 수소가 유동되는 유로가 형성되는 애노드 반응영역(1a)이 형성되고, 상기 애노드 반응영역(1a)의 양측 영역으로 다수의 매니폴드(1b)가 형성된다. 이때 다수의 매니폴드(1b)는 6개가 마련되어 각각 수소, 공기 또는 냉각수가 유입 또는 배출된다.
특히, 애노드 분리판(31)에 형성되는 다수의 매니폴드(1b) 중 수소가 유입되는 수소유입 매니폴드(1b')와 애노드 반응영역(1a) 사이에는 수소유입 매니폴드(1b')를 통하여 유동되는 수소를 애노드 반응영역(1a)으로 유입시키는 수소 유입유로(31a)가 형성된다.
이때 수소 유입유로(31a)는 애노드 반응면 방향으로 돌출되어 관통되도록 다수개가 형성된다. 그리고, 수소 유입유로(31a)와 소정 간격 이격된 지점에는 애노드 반응면 방향으로 돌출되도록 포밍되는 다수의 지지돌기(31b)가 형성될 수 있다. 그래서 연료전지 스택의 적층시 애노드 분리판(31)에서 돌출되어 형성되는 다수의 수소 유입유로(31a)와 지지돌기(31b)에 막전극접합체(10)를 둘러싸서 지지하는 프레임(이하, "서브 가스켓(14)"이라고 지칭함)이 접촉되면서 지지된다.
그래서, 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32) 사이에 서브 가스켓(14)이 적층되면서 단위셀을 구성한다.
그리고, 애노드 분리판(31)에는 기밀라인을 형성하는 가스켓이 형성되지 않는다.
한편, 도 2b 및 도 2c와 같이 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 캐소드 분리판(32)도 중앙 영역에 공기가 유동되는 유로가 형성되는 캐소드 반응영역(2a)이 형성되고, 상기 캐소드 반응영역(2a)의 양측 영역으로 다수의 매니폴드(2b)가 형성된다. 이때 다수의 매니폴드(2b)도 애노드 분리판(31)과 마찬가지로 6개가 마련되어 각각 수소, 공기 또는 냉각수가 유입 또는 배출된다.
특히, 캐소드 분리판(32)에 형성되는 다수의 매니폴드(2b) 중 공기가 유입되는 공기유입 매니폴드(2b')와 캐소드 반응영역(2a) 사이에는 공기유입 매니폴드(2b')를 통하여 유동되는 공기를 캐소드 반응영역(2a)으로 유입시키는 공기 유입유로(32a)가 형성된다.
한편, 캐소드 분리판(32)에는 수소, 공기 또는 냉각수가 유동되는 유로를 형성하면서 기밀을 유지하기 위하여 다양한 형태의 가스켓라인(40)이 형성된다.
예를 들어 도 2b와 같이 캐소드 분리판(32)의 캐소드 반응면에는 다수의 매니폴드(2b)와 캐소드 반응영역(2a)을 둘러싸면서 애노드 분리판(31)이 접촉되는 외측 기밀라인(41)이 형성된다. 그리고, 캐소드 반응영역(2a)을 둘러싸면서 공기가 유입되는 경로를 확보하고, 서브 가스켓(14)이 접촉되는 기밀라인(42)이 형성된다. 이렇게 캐소드 분리판(32)의 캐소드 반응면에 애노드 분리판(31)이 접촉되는 외측 기밀라인(41)과 서브 가스켓(14)이 접촉되는 내측 기밀라인(42)이 함께 형성되는 분리판을 일반적으로 '듀얼 가스켓 타입 분리판'이라고 지칭하고 있다.
그리고, 도 2c와 같이 캐소드 분리판(32)의 캐소드 냉각면에는 냉각수가 유입되는 경로와 공기가 유입되는 경로를 확보하면서 애노드 분리판(31)에 접촉되는 기밀라인(40b)이 형성된다.
한편, 도 3은 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 단위셀을 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 단위셀은 애노드 분리판(31)의 애노드 반응면과 캐소드 분리판(32)의 캐소드 반응면 사이에 막전극접합체(10), 서브 가스켓(14) 및 기체확산층(20)이 합쳐진 EGA(Electricity-Generating Assembly, 21)가 적층된다. 이때 EGA(21)의 양면은 각각 애노드 분리판(31)의 애노드 반응영역(1a)과 캐소드 분리판(32)의 캐소드 반응영역(2a)에 배치된다.
이때, 캐소드 분리판(32)의 캐소드 냉각면에는 인접배치되는 단위셀을 구성하는 애노드 분리판(31)의 애노드 냉각면과 서로 대향되도록 배치되어 적층된다.
도 4는 도 2b 및 도 2c의 A-A선에 대한 단위셀의 적층상태를 보여주는 도면으로서, 도 4에서 확인할 수 있듯이, 캐소드 분리판(32)의 경우에 외측 기밀라인(41)과 내측 기밀라인(42) 사이에 폐쇄되는 공간이 필연적으로 형성된다.
그래서, 연료전지 스택의 운전 중 공급되는 반응기체 또는 반응기체의 반응에 의해 생성되는 생성수가 외측 기밀라인(41)과 내측 기밀라인(42) 사이의 폐쇄된 공간으로 진입되는 경우에는 그 내부에서 정체되면서 외부로 배출되지 못하는 문제가 발생된다.
이렇게 비정상적으로 정체되어 외부로 배출되지 못하는 생성수는 분리판의 부식 및 가스켓의 물성 저하 등과 같은 문제를 일으킨다.
또한, 겨울철에는 배출되지 못한 생성수가 결빙되면서 기밀 불량을 야기할 수 있고, 이는 내구성 저하 문제를 발생시키게 된다.
그리고, 연료전지 스택의 기밀성 검사시 검사용 기체를 스택 내부로 주입하게 되는데, 이때 외측 기밀라인과 내측 기밀라인 사이의 폐쇄된 공간까지 기체가 채워지면서 검사용 기체의 압력 강하가 발생되고, 이는 기밀성 검사의 판단에 오류를 발생시키거나 검사 시간을 지연시키는 문제를 발생시키게 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 5482991 B2 (2014.02.28)
본 발명은 외측 기밀라인을 형성하는 가스켓의 일부를 제거하여 내측 기밀라인과 외측 기밀라인 사이에 생성수가 잔류되어 적체되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 분리판 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판 유닛은 연료전지의 단위셀에 사용되는 분리판 유닛으로서, 중앙에는 반응영역이 형성되고, 상기 반응영역의 양측으로 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드가 형성되며, 일면에 반응면이 형성되고, 타면에 냉각면이 형성되는 분리판과; 상기 분리판의 반응면에 형성되고, 상기 반응영역을 둘러싸되 반응기체가 유입 및 배출되는 경로를 확보하면서 반응면 내측 기밀라인을 형성하는 반응면 내측 가스켓과; 상기 분리판의 반응면에 형성되고, 반응면 내측 가스켓과 다수의 매니폴드를 둘러싸면서 반응면 외측 기밀라인을 형성하는 반응면 외측 가스켓을 포함하고, 상기 반응면 외측 기밀라인 중 상기 다수의 매니폴드 중 적어도 어느 하나의 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에는 상기 반응면 외측 가스켓이 제거된 적어도 하나 이상의 컷부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컷부는 상기 다수의 매니폴드 중 반응기체가 유입 또는 배출되는 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컷부는 반응기체가 유입 또는 배출되는 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인 중 중력방향을 기준으로 하단영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 상기 반응면 외측 가스켓이 완전히 제거되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 상기 반응면 외측 가스켓의 일부분이 제거되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 분리판의 냉각면에 형성되고, 상기 반응영역에 대응되는 영역을 둘러싸고, 다수의 매니폴드를 둘러싸되 냉각수가 유입 또는 배출되는 경로를 확보하면서 냉각면 기밀라인을 형성하는 냉각면 가스켓을 더 포함한다.
상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인 중 상기 냉각면 가스켓이 형성되지 않는 지점이 투영되는 지점에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 분리판의 반응영역에는 막전극접합체 및 상기 막전극접합체의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브 가스켓이 배치되고, 상기 반응면 내측 가스켓은 상기 서브 가스켓에 접촉되면서 상기 반응면 내측 기밀라인을 형성하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 단위셀은 막전극접합체(MEA)와; 상기 막전극접합체의 양면으로 배치되는 한 쌍의 기체확산층(GDL)과; 상기 막전극접합체의 일면에 배치되는 기체확산층의 외측으로 배치되고, 중앙에는 캐소드 반응영역이 형성되며, 상기 캐소드 반응영역의 양측으로 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 캐소드 매니폴드가 형성되고, 상기 기체확산층과 대면되는 면에 공기가 유동되는 캐소드 반응면이 형성되며, 상기 기체확산층과 대면되는 면의 반대면에 냉각수가 유동되는 캐소드 냉각면이 형성되는 캐소드 분리판과; 상기 막전극접합체의 타면에 배치되는 기체확산층의 외측으로 배치되고, 중앙에는 애노드 반응영역이 형성되며, 상기 애노드 반응영역의 양측으로 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 애노드 매니폴드가 형성되고, 상기 기체확산층과 대면되는 면에 수소가 유동되는 애노드 반응면이 형성되며, 상기 기체확산층과 대면되는 면의 반대면에 냉각수가 유동되는 애노드 냉각면이 형성되는 애노드 분리판과; 상기 캐소드 분리판의 캐소드 반응면에 형성되고, 상기 캐소드 반응영역을 둘러싸되 반응기체가 유입 및 배출되는 경로를 확보하면서 반응면 내측 기밀라인을 형성하는 반응면 내측 가스켓과; 상기 캐소드 분리판의 캐소드 반응면에 형성되고, 반응면 내측 가스켓과 다수의 캐소드 매니폴드를 둘러싸면서 상기 애노드 분리판과의 사이에 반응면 외측 기밀라인을 형성하는 반응면 외측 가스켓을 포함하고, 상기 반응면 외측 기밀라인 중 상기 다수의 캐소드 매니폴드 중 적어도 어느 하나의 캐소드 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에는 상기 반응면 외측 가스켓이 제거된 적어도 하나 이상의 컷부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컷부는 상기 다수의 캐소드 매니폴드 중 수소가 유입 또는 배출되는 캐소드 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컷부는 수소가 유입 또는 배출되는 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인 중 중력방향을 기준으로 하단영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 상기 반응면 외측 가스켓이 완전히 제거되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 상기 반응면 외측 가스켓의 일부분이 제거되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컷부는 상기 캐소드 분리판의 캐소드 반응면과 상기 애노드 분리판의 애노드 반응면 사이 간격의 1/2보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드 분리판의 캐소드 냉각면에 형성되고, 상기 캐소드 반응영역에 대응되는 영역을 둘러싸고, 다수의 캐소드 매니폴드를 둘러싸되 냉각수가 유입 또는 배출되는 경로를 확보하면서 냉각면 기밀라인을 형성하는 냉각면 가스켓을 더 포함한다.
상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인 중 상기 냉각면 가스켓이 형성되지 않는 지점이 투영되는 지점에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컷부는 다수개가 형성되고, 다수개 형성되는 컷부에 의해 반응면 외측 기밀라인에는 가스켓섬부가 형성되며, 상기 가스켓섬부는 상기 반응면 외측 기밀라인 중 냉각면 가스켓이 형성된 지점이 투영되는 지점에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 막전극접합체의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브 가스켓을 더 포함하고, 상기 반응면 내측 가스켓은 상기 서브 가스켓에 접촉되면서 상기 반응면 내측 기밀라인을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 외측 기밀라인의 일부분을 제거한 컷부를 형성하여 내측 기밀라인과 외측 기밀라인 사이의 공간이 폐쇄되는 것을 방지함으로써, 반응기체 및 생성수가 외측 기밀라인과 내측 기밀라인 사이에 잔류되어 정체되는 것을 방지시킬 수 있다.
이에 따라 생성수가 원하지 않게 정체되는 것을 방지할 수 있기 때문에 생성수에 의해 분리판이 부식되거나 가스켓의 물성이 저하되는 것을 방지할 수 있어 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 겨울철에 원하지 않는 위치에서 생성수가 결빙되는 것을 방지하고, 생성수의 결빙에 의해 분리판이 손상 또는 변형되는 것을 방지할 수 있어 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 연료전지 스택의 기밀성 검사를 신속하게 실시할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고,
도 2a는 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 애노드 분리판을 보여주는 도면이며,
도 2b는 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 캐소드 분리판의 캐소드 반응면을 보여주는 도면이며,
도 2c는 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 캐소드 분리판의 캐소드 냉각면을 보여주는 도면이고,
도 3은 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 단위셀을 보여주는 도면이고,
도 4는 도 2b 및 도 2c의 A-A선에 대한 단위셀의 적층상태를 보여주는 도면이며,
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 반응면을 보여주는 도면이고,
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 냉각면을 보여주는 도면이며,
도 6은 도 5a 및 도 5b의 B-B선에 대한 단위셀의 적층상태를 보여주는 도면이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 반응면을 보여주는 도면이며,
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 반응면에서 도 7의 C-C선에 대한 단위셀의 적층상태를 보여주는 도면이고,
도 8b는 본 발명의 변경예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 반응면에서 도 7의 C-C선에 대한 단위셀의 적층상태를 보여주는 도면이며,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 반응면에서 도 7의 D-D선에 대한 단위셀의 적층상태를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀은 도 1 및 도 3에 도시된 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 단위셀의 구성을 그대로 유지하면서 캐소드 분리판에서 외측 기밀라인을 형성하는 가스켓의 일부를 제거하여 외측 기밀라인과 내측 기밀라인 사이에 미반응 반응기체 및 생성수가 잔류되는 것을 방지하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀은 종래의 연료전지용 단위셀과 마찬가지로 도 6에 도시된 바와 같이 막전극접합체(10), 기체확산층(20), 애노드 분리판(300) 및 캐소드 분리판(100)을 포함하여 이루어진다. 이때, 막전극접합체(10)의 둘레를 둘러싸면서 지지하는 프레임이 더 구비될 수 있고, 이 프레임을 서브 가스켓(14)이라고 칭한다.
그래서, 애노드 분리판(300)의 반응면과 캐소드 분리판(100)의 반응면 사이에 막전극접합체(10), 서브 가스켓(14) 및 기체확산층(20)이 배치된다.
이때 캐소드 분리판(100)의 캐소드 반응면에는 반응면 외측 가스켓(210)과 반응면 내측 가스켓(220)이 사출되어 반응면 외측 기밀라인과 반응면 내측 기밀라인을 형성되고, 캐소드 분리판(100)의 캐소드 냉각면에는 냉각면 가스켓(230)이 사출되어 냉각면 기밀라인을 형성된다.
그리고, 다수개의 단위셀이 직렬로 연결되어 연료전지 스택을 구성한다.
그래서, 하나의 단위 셀에 구성되는 애노드 분리판(300)은 그에 인접되는 단위셀에 구성되는 캐소드 분리판(100)과 서로 대면되어 배치된다.
따라서, 이하의 설명에서는 일반적인 연료전지 스택용 단위셀에 대하여 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 반응면을 보여주는 도면이고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 냉각면을 보여주는 도면이며, 도 6은 도 5a 및 도 5b의 B-B선에 대한 단위셀의 적층상태를 보여주는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판 유닛은 단위셀을 구성하는 캐소드 분리판(100)과 캐소드 분리판(100)에 사출되어 형성되는 반응면 외측 가스켓(210) 및 반응면 내측 가스켓(220)과 냉각면 가스켓(230)을 지칭한다.
물론 연료전지용 분리판 유닛은 단위셀을 구성하는 캐소드 분리판(100)에 적용되는 것으로 한정되는 것은 아니고, 애노드 분리판(300)에도 적용될 수 있을 것이다. 다만, 이하에서는 바람직한 설명을 위하여 연료전지용 분리판 유닛을 캐소드 분리판에 적용한 것을 예로하여 설명하기로 한다.
그래서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀은 전술된 분리판 유닛을 포함하여 구성된다.
부연하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀은 막전극접합체(MEA)(10)와; 막전극접합체(10)의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브 가스켓(14)과; 막전극접합체(10)의 양면으로 배치되는 한 쌍의 기체확산층(GDL)(20)과; 기체확산층(20)의 외측으로 배치되고, 기체확산층(20)과 대면되는 면에 반응기체인 공기가 유동되는 캐소드 반응면이 형성되는 캐소드 분리판(100)과; 기체확산층(20)의 외측으로 배치되고, 기체확산층(20)과 대면되는 면에 반응기체인 수소가 유동되는 애노드 반응면이 형성되는 애노드 분리판(300)을 포함한다.
그리고, 캐소드 분리판(100)의 캐소드 반응면에 형성되어 반응면 내측 기밀라인을 형성하는 반응면 내측 가스켓(220)과; 캐소드 분리판(100)의 캐소드 반응면에 형성되어 반응면 외측 기밀라인을 형성하는 반응면 외측 가스켓(210)과; 캐소드 분리판(100)의 캐소드 냉각면에 형성되어 냉각면 기밀라인을 형성하는 냉각면 가스켓(230)을 더 포함한다.
여기서, 막전극접합체(10), 서브 가스켓(14), 기체확산층(20), 캐소드 분리판(100) 및 애노드 분리판(300)은 도 1 및 도 3에 도시된 종래의 연료전지 스택을 구성하는 막전극접합체, 서브 가스켓, 기체확산층, 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 구성을 그대로 유지한다.
다만, 캐소드 분리판(100)에 외측 기밀라인을 형성하기 위하여 사출되는 반응면 외측 가스켓(210)의 일부를 제거한다.
부연하자면, 캐소드 분리판(100)은 막전극접합체(10)의 공기극이 배치되는 일면에 배치되는 기체확산층(20)의 외측으로 배치된다. 그리고, 중앙에는 캐소드 반응영역이 형성되고, 캐소드 반응영역의 양측으로 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 캐소드 매니폴드(101 내지 106)가 형성된다. 이때 기체확산층(20)과 대면되는 면에 공기가 유동되는 캐소드 반응면이 형성되고, 기체확산층(20)과 대면되는 면의 반대면에 냉각수가 유동되는 캐소드 냉각면이 형성된다.
그리고, 캐소드 분리판(100)에는 공기가 유입 또는 배출되는 매니폴드(103, 106)와 캐소드 반응영역(110) 사이에 공기가 유입 또는 배출되는 유로홀(120)이 형성된다.
마찬가지로, 애노드 분리판(300)은 막전극접합체(10)의 수소극이 배치되는 타면에 배치되는 기체확산층(20)의 외측으로 배치된다. 그리고, 중앙에는 애노드 반응영역이 형성되고, 애노드 반응영역의 양측으로 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 애노드 매니폴드가 형성된다. 이때 기체확산층(20)과 대면되는 면에 수소가 유동되는 애노드 반응면이 형성되고, 기체확산층(20)과 대면되는 면의 반대면에 냉각수가 유동되는 애노드 냉각면이 형성된다.
그리고, 반응면 내측 가스켓(220)은 캐소드 분리판(100)의 캐소드 반응면에 형성되고, 캐소드 반응영역(110)을 둘러싸되 반응기체가 유입 및 배출되는 경로를 확보하면서 서브 가스켓(14)에 접촉되어 반응면 내측 기밀라인을 형성한다.
또한, 반응면 외측 가스켓(210)은 캐소드 분리판(100)의 캐소드 반응면에 형성되고, 반응면 내측 가스켓(220)과 다수의 캐소드 매니폴드(101 내지 106)를 둘러싸면서 애노드 분리판(300)과의 사이에 반응면 외측 기밀라인을 형성한다.
이때, 반응면 외측 기밀라인에는 반응면 외측 가스켓(210)이 소정 영역에서 제거된 적어도 하나 이상의 컷부(211)가 형성된다.
그리고, 냉각면 가스켓(230)은 캐소드 분리판(100)의 캐소드 냉각면에 형성되고, 캐소드 반응영역(110)에 대응되는 영역을 둘러싸고, 다수의 캐소드 매니폴드(101 내지 106)를 둘러싸되 냉각수가 유입 또는 배출되는 경로를 확보하면서 냉각면 기밀라인을 형성한다.
본 실시예에서는 종래의 듀얼 가스켓 타입 분리판에 형성되는 반응면 내측 기밀라인, 반응면 외측 기밀라인 및 냉각면 기밀라인의 형태를 그대로 유지한다. 다만, 전술된 바와 같이 반응면 외측 기밀라인에 적어도 하나 이상의 컷부(211)를 형성하는 것을 특징으로 한다. 따라서 중복되는 설명은 생략하고 반응면 외측 기밀라인에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이 외측 기밀라인에 형성되는 컷부는 미반응 반응기체 및 생성수가 원활하게 배출될 수 있도록 반응면 외측 가스켓(210)을 소정 영역에서 완전히 제거되어 형성되는 것이 바람직하다. 그래서, 컷부(211)를 통하여 반응면 내측 기밀라인과 반응면 외측 기밀라인의 사이 공간이 폐쇄되지 않고 컷부(211)가 형성된 지점에서 반응면 내측 기밀라인과 반응면 외측 기밀라인의 사이 공간이 캐소드 매니폴드(101, 104)와 연통되도록 한다.
특히, 컷부(211)를 통하여 반응면 내측 기밀라인과 반응면 외측 기밀라인의 사이 공간에 정체되는 생성수가 원활하게 배출될 수 있도록 컷부(211)는 반응기체가 유입 또는 배출되는 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인 중 중력방향을 기준으로 하단영역에 형성되는 것이 바람직하다.
특히, 컷부(211)는 다수의 캐소드 매니폴드(101 내지 106) 중 수소가 유입 또는 배출되는 캐소드 매니폴드(101, 104)를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에 각각 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어 컷부(211)는 다수의 캐소드 매니폴드(101 내지 106) 중 수소가 유입되는 캐소드 매니폴드(101)를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에 형성되는 입구측 컷부(211a)와 다수의 캐소드 매니폴드(101 내지 106) 중 수소가 배출되는 캐소드 매니폴드(104)를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에 형성되는 출구측 컷부(211b)를 포함한다.
이렇게 다수의 캐소드 매니폴드(101 내지 106) 중 수소가 유입 또는 배출되는 캐소드 매니폴드(101, 104)를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에 컷부(211)를 형성하는 이유는 만약 컷부(211)가 공기가 유입 또는 배출되는 캐소드 매니폴드(103, 106)를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에 형성된다면 캐소드 반응면으로 유동되는 공기와 애노드 반응면으로 유동되는 수소가 직접 접촉되면서 반응될 수 있기 때문이다.
물론, 반응면 외측 가스켓이 애노드 분리판에 적용되는 경우에는 컷부가 다수의 애노드 매니폴드 중 공기가 유입 또는 배출되는 애노드 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에 형성되는 것이 바람직할 것이다.
또한, 컷부(211)는 반응면 외측 기밀라인 중 냉각면 가스켓(230)이 형성되지 않는 지점이 투영되는 지점에 형성되는 것이 바람직하다.
이렇게 냉각면 가스켓(230)이 형성되지 않는 지점이 투영되는 지점에 컷부(211)를 형성하는 이유는 연료전지용 단위셀의 적층시 서로 인접되는 단위셀 간의 면압을 균일하게 유지하기 위해서다.
한편, 외측 기밀라인에 형성되는 컷부는 반응면 외측 가스켓을 소정 영역에서 완전히 제거하지 않고 일부분만 제거하여 형성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 반응면에서 도 7의 D-D선에 대한 단위셀의 적층상태를 보여주는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이 컷부는 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 반응면 외측 가스켓(210)의 일부분이 제거되어 형성될 수 있다.
그래서, 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 반응면 외측 가스켓(210)이 일부 잔존하면서 컷부(211)가 형성된다.
이렇게 컷부(211)가 형성되는 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 반응면 외측 가스켓(210)의 일부는 잔존시키는 이유는 반응면 외측 가스켓(210)의 사출을 용이하게 하기 위함이다.
다만, 컷부(211)가 형성되는 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 반응면 외측 가스켓(210)의 일부는 잔존시키더라도 잔류되는 반응면 외측 가스켓(210)의 높이는 낮을수록 좋을 것이다. 그래서, 상대적으로 컷부(211)의 단면적을 크게 하는 것이 바람직하다.
따라서, 컷부(211)는 캐소드 분리판(100)의 캐소드 반응면과 상기 애노드 분리판(300)의 애노드 반응면 사이 간격의 1/2보다 크게 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 컷부는 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 다수개를 서로 이격시켜서 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 반응면을 보여주는 도면이며, 도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 반응면에서 도 7의 C-C선에 대한 단위셀의 적층상태를 보여주는 도면이고, 도 8b는 본 발명의 변경예에 따른 연료전지용 분리판 유닛의 반응면에서 도 7의 C-C선에 대한 단위셀의 적층상태를 보여주는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이 컷부(211)는 다수개가 형성되고, 다수개 형성되는 컷부(211)에 의해 반응면 외측 기밀라인에는 가스켓섬부(212)가 형성된다.
그래서, 컷부(211)가 형성되는 영역을 넓게 확보하여 외측 기밀라인과 내측 기밀라인 사이에서 잔류되는 미반응 반응기체 및 생성수가 원활하게 빠져나갈 수 있도록 한다.
다만, 컷부(211)가 형성되는 영역이 너무 커지는 경우에는 해당 부위에서 면압이 불균일하게 되고, 캐소드 분리판(100) 및 애노드 분리판(300)의 형상이 변경될 수 있기 때문에 컷부(211) 사이에 가스켓섬부(212)를 형성하는 것이 바람직하다.
이때 가스켓섬부(212)는 반응면 외측 기밀라인 중 냉각면 가스켓(230)이 형성된 지점이 투영되는 지점에 형성되는 것이 바람직하다. 그래서 단위셀의 적층시 해당 영역에서 면압이 분균일해지는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 막전극접합체(MEA) 14: 서브 가스켓
20: 기체확산층(GDL) 21: EGA
30: 분리판 조립체 31: 애노드 분리판
31a: 수소 유입유로 31b: 지지돌기
32: 캐소드 분리판 32a: 공기 유입유로
40: 가스켓 41: 외측 기밀라인
42: 내측 기밀라인 50: 엔드플레이트
100: 캐소드 분리판 101 내지 106: 캐소드 매니폴드
110: 캐소드 반응영역 120: 유로홀
210: 반응면 외측 가스켓 211: 컷부
211a: 입구측 컷부 211b: 출구측 컷부
212: 가스켓섬부 220: 반응면 내측 가스켓
230: 냉각면 가스켓 300: 애노드 분리판

Claims (18)

  1. 연료전지의 단위셀에 사용되는 분리판 유닛으로서,
    중앙에는 반응영역이 형성되고, 상기 반응영역의 양측으로 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 매니폴드가 형성되며, 일면에 반응면이 형성되고, 타면에 냉각면이 형성되는 분리판과;
    상기 분리판의 반응면에 형성되고, 상기 반응영역을 둘러싸되 반응기체가 유입 및 배출되는 경로를 확보하면서 반응면 내측 기밀라인을 형성하는 반응면 내측 가스켓과;
    상기 분리판의 반응면에 형성되고, 반응면 내측 가스켓과 다수의 매니폴드를 둘러싸면서 반응면 외측 기밀라인을 형성하는 반응면 외측 가스켓을 포함하고,
    상기 반응면 외측 기밀라인 중 상기 다수의 매니폴드 중 적어도 어느 하나의 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에는 상기 반응면 외측 가스켓이 제거된 적어도 하나 이상의 컷부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 컷부는 상기 다수의 매니폴드 중 반응기체가 유입 또는 배출되는 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 유닛.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 컷부는 반응기체가 유입 또는 배출되는 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인 중 중력방향을 기준으로 하단영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 유닛.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 상기 반응면 외측 가스켓이 완전히 제거되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 유닛.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 상기 반응면 외측 가스켓의 일부분이 제거되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 유닛.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판의 냉각면에 형성되고, 상기 반응영역에 대응되는 영역을 둘러싸고, 다수의 매니폴드를 둘러싸되 냉각수가 유입 또는 배출되는 경로를 확보하면서 냉각면 기밀라인을 형성하는 냉각면 가스켓을 더 포함하는 연료전지용 분리판 유닛.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인 중 상기 냉각면 가스켓이 형성되지 않는 지점이 투영되는 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 유닛.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판의 반응영역에는 막전극접합체 및 상기 막전극접합체의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브 가스켓이 배치되고,
    상기 반응면 내측 가스켓은 상기 서브 가스켓에 접촉되면서 상기 반응면 내측 기밀라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 유닛.
  9. 막전극접합체(MEA)와;
    상기 막전극접합체의 양면으로 배치되는 한 쌍의 기체확산층(GDL)과;
    상기 막전극접합체의 일면에 배치되는 기체확산층의 외측으로 배치되고, 중앙에는 캐소드 반응영역이 형성되며, 상기 캐소드 반응영역의 양측으로 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 캐소드 매니폴드가 형성되고, 상기 기체확산층과 대면되는 면에 공기가 유동되는 캐소드 반응면이 형성되며, 상기 기체확산층과 대면되는 면의 반대면에 냉각수가 유동되는 캐소드 냉각면이 형성되는 캐소드 분리판과;
    상기 막전극접합체의 타면에 배치되는 기체확산층의 외측으로 배치되고, 중앙에는 애노드 반응영역이 형성되며, 상기 애노드 반응영역의 양측으로 반응기체 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 다수의 애노드 매니폴드가 형성되고, 상기 기체확산층과 대면되는 면에 수소가 유동되는 애노드 반응면이 형성되며, 상기 기체확산층과 대면되는 면의 반대면에 냉각수가 유동되는 애노드 냉각면이 형성되는 애노드 분리판과;
    상기 캐소드 분리판의 캐소드 반응면에 형성되고, 상기 캐소드 반응영역을 둘러싸되 반응기체가 유입 및 배출되는 경로를 확보하면서 반응면 내측 기밀라인을 형성하는 반응면 내측 가스켓과;
    상기 캐소드 분리판의 캐소드 반응면에 형성되고, 반응면 내측 가스켓과 다수의 캐소드 매니폴드를 둘러싸면서 상기 애노드 분리판과의 사이에 반응면 외측 기밀라인을 형성하는 반응면 외측 가스켓을 포함하고,
    상기 반응면 외측 기밀라인 중 상기 다수의 캐소드 매니폴드 중 적어도 어느 하나의 캐소드 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에는 상기 반응면 외측 가스켓이 제거된 적어도 하나 이상의 컷부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 컷부는 상기 다수의 캐소드 매니폴드 중 수소가 유입 또는 배출되는 캐소드 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 컷부는 수소가 유입 또는 배출되는 매니폴드를 둘러싸는 반응면 외측 기밀라인 중 중력방향을 기준으로 하단영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 상기 반응면 외측 가스켓이 완전히 제거되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인의 소정 지점에서 상기 반응면 외측 가스켓의 일부분이 제거되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 컷부는 상기 캐소드 분리판의 캐소드 반응면과 상기 애노드 분리판의 애노드 반응면 사이 간격의 1/2보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 캐소드 분리판의 캐소드 냉각면에 형성되고, 상기 캐소드 반응영역에 대응되는 영역을 둘러싸고, 다수의 캐소드 매니폴드를 둘러싸되 냉각수가 유입 또는 배출되는 경로를 확보하면서 냉각면 기밀라인을 형성하는 냉각면 가스켓을 더 포함하는 연료전지용 단위셀.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 컷부는 상기 반응면 외측 기밀라인 중 상기 냉각면 가스켓이 형성되지 않는 지점이 투영되는 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 컷부는 다수개가 형성되고, 다수개 형성되는 컷부에 의해 반응면 외측 기밀라인에는 가스켓섬부가 형성되며,
    상기 가스켓섬부는 상기 반응면 외측 기밀라인 중 냉각면 가스켓이 형성된 지점이 투영되는 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  18. 청구항 9에 있어서,
    상기 막전극접합체의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브 가스켓을 더 포함하고,
    상기 반응면 내측 가스켓은 상기 서브 가스켓에 접촉되면서 상기 반응면 내측 기밀라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
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