WO2024058353A1 - 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

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WO2024058353A1
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WO
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metal separator
flow channel
fuel cell
stress reinforcement
separator plate
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PCT/KR2023/007811
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나영승
김초은
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서울시립대학교 산학협력단
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a metal separator plate for a fuel cell for preventing structural deformation of a fluid flow channel due to stress caused by stacking a plurality of metal separator plates for a fuel cell, and a fuel cell including the same.
  • Types of fuel cells include molten carbonate fuel cells (MCFC) and solid oxide fuel cells (SOFC), which operate at high temperatures above 600 degrees Celsius, and those which operate at relatively low temperatures below 200 degrees Celsius. These include Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) and Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFC).
  • MCFC molten carbonate fuel cells
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cells
  • PEFC Polymer Electrolyte Fuel Cells
  • Figure 1 is an exploded perspective view showing a typical polymer electrolyte fuel cell.
  • the polymer electrolyte fuel cell 100 includes a plurality of unit cells 110 and fastening plates 120 and 130 disposed outside the stacked unit cells 110.
  • the unit cells 110 include a membrane electrode assembly 111 and separator plates 112 disposed on both sides thereof, and the plurality of unit cells 110 are stacked and arranged between the fastening plates 120, 130, and end plates.
  • a gas diffusion layer (GDL) 113 is disposed between the membrane electrode assembly 111 and the separator 112.
  • FIGS. 2 to 5 A conventional metal separator plate for a fuel cell will be described with reference to FIGS. 2 to 5 .
  • Figure 2 is a plan view showing a conventional metal separator plate for a fuel cell
  • Figure 3 is an enlarged perspective view of portion A1 of Figure 2
  • Figure 4 is a cross-sectional view viewed from line A-A' in Figure 3
  • Figure 5 is a conventional metal separator plate. This is a drawing to explain the problems of the metal separator plate for fuel cells.
  • the conventional metal separator plate 112 for a fuel cell has an inlet 112a and an outlet 112b connected by a flow channel 112c, and the fluid flows through the flow channel 112c to form a film. It may be supplied to the electrode assembly 111.
  • the conventional flow channel 112c is formed in a straight shape extending in the longitudinal direction, and its cross-section may be formed in a trapezoidal shape.
  • a plurality of conventional metal separator plates 112 for fuel cells formed in this way are stacked, and stress due to the stacking is applied to the separator plates 112, so that the metal separator plates 112 may be structurally deformed as shown in FIG. 5. there is. Due to this structural deformation, the contact area between the gas diffusion layer 113 and the metal separator 112 and the contact area between the metal separator 112 are reduced, and as a result, the resistance to charge transfer increases. Additionally, if sufficient compressive force is not applied to the gas diffusion layer 113 due to deformation, resistance to charge transfer increases, which reduces the efficiency of the fuel cell.
  • the purpose of the present invention is to provide a metal separator for a fuel cell to prevent structural deformation of a fluid flow channel due to stress caused by stacking a plurality of metal separators for a fuel cell, and a fuel cell including the same.
  • the metal separator plate for fuel cells according to an embodiment of the present invention
  • first protruding areas protruding in a first direction perpendicular to the flow direction of the fluid and second protruding areas protruding in a second direction perpendicular to the flow direction of the fluid are alternately formed, and the first protrusions are alternately formed. It includes a stress strengthening portion formed by overlapping a region and at least a portion of the second protruding region, and a flow channel having ribs that form the outer shape of the flow channel.
  • the length of the rib is determined considering the magnitude of the stress applied to the flow channel and the length of the flow channel, and the flow channel of one line and the adjacent line
  • the size of the width protruding from both ends of the rib may be determined by considering the distance from the flow channel.
  • the metal separator plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, stainless steel is used as the material of the metal separator plate, and the flow channel in which the first protruding region, the second protruding region, and the stress reinforcement portion are formed is formed by a stamping method. It can be manufactured.
  • the ribs may be formed in a corrugated shape.
  • a stress reinforcement pattern is formed by the first protrusion area, the second protrusion area, the stress reinforcement portion, and the rib, and the size of the stress reinforcement pattern is determined by the metal separator. It is formed as the smallest in the central part of the separator, and may become larger as it moves to the edge.
  • the density of the stress reinforcement pattern may be formed to be largest at the center of the metal separator and become smaller toward the edge.
  • a plurality of unit cells including a membrane electrode assembly and a metal separator having a flow channel through which fluid flows; and, a fastening plate disposed on the outside of the plurality of unit batteries.
  • the flow channel is formed by alternately forming first protruding areas protruding in a first direction perpendicular to the flow direction of the fluid and second protruding areas protruding in a second direction perpendicular to the flow direction of the fluid.
  • a stress reinforcement portion formed by overlapping at least a portion of the first protruding region and the second protruding region, and a rib forming the outer shape of the flow channel.
  • the length of the rib is determined considering the magnitude of the stress applied to the flow channel and the length of the flow channel, and the flow channel of one line and the flow channel of an adjacent line are determined.
  • the size of the width protruding from both ends of the rib may be determined by considering the distance between the ribs and the ribs.
  • stainless steel is used as a material for the metal separator plate, and the flow channel in which the first protruding region, the second protruding region, and the stress reinforcement portion are formed is manufactured by stamping. You can.
  • the ribs may be formed in a wrinkled shape.
  • a stress reinforcement pattern is formed by the first protrusion area, the second protrusion area, the stress reinforcement portion, and the rib, and the size of the stress reinforcement pattern is determined by the size of the metal separator plate. It is formed smallest in the central part, and can become larger towards the edges.
  • the density of the stress reinforcement pattern may be formed to be largest at the center of the metal separator plate and become smaller toward the edge.
  • the stress strengthening pattern of the flow channel formed on the metal separator plate of the unit cell disposed adjacent to the fastening plate The size may be the smallest, and the size of the stress reinforcement pattern of the flow channel formed on the metal separator of the unit cell in the central portion may be formed to be the largest.
  • the stress strengthening pattern of the flow channel formed on the metal separator plate of the unit cell disposed adjacent to the fastening plate The density may be the highest, and the density of the stress reinforcement pattern of the flow channel formed on the metal separator of the unit cell in the central portion may be formed as the smallest.
  • the boundary in contact with the gas diffusion layer and the interface in contact with the separator plates become larger, and the fluid reaching the electrochemical reaction surface increases according to the zigzag flow of the fluid, so the concentration (or concentration) of the fluid supplied to the membrane electrode assembly through the gas diffusion layer flow rate) can be increased, thereby improving the efficiency of the fuel cell.
  • Figure 1 is an exploded perspective view showing a typical polymer electrolyte fuel cell.
  • Figure 2 is a plan view showing a conventional metal separator plate for a fuel cell.
  • Figure 3 is an enlarged perspective view of portion A1 of Figure 2.
  • Figure 4 is a cross-sectional view viewed from line A-A' in Figure 3.
  • FIG. 5 is a diagram to explain the problems of the conventional metal separator plate for fuel cells.
  • Figure 6 is a plan view showing a metal separator plate for a fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is an enlarged perspective view of portion B1 of Figure 6.
  • Figure 8 is a cross-sectional view viewed from line B-B' in Figure 7.
  • Figure 9 is a plan view of Figure 7.
  • 10 to 13 are drawings for comparing and explaining the conventional metal separator plate and the metal separator plate of the present invention.
  • Figure 14 is a plan view showing a flow channel of a metal separator plate for a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the size distribution of stress due to stacking of conventional metal separator plates in a fuel cell stack.
  • Figure 16 is a plan view showing a metal separator plate for a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 17 is a diagram for explaining the size distribution of stress when using a metal separator for a fuel cell according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a fuel cell stack including a metal separator plate for a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the fuel cell 100 includes a plurality of unit cells 110 and fastening plates 120 and 130 disposed outside the stacked unit cells 110.
  • the unit cells 110 include a membrane electrode assembly 111 and separator plates 200 disposed on both sides thereof, and a plurality of unit cells 110 are stacked and arranged between the fastening plates 120 and 130.
  • a gas diffusion layer 113 is disposed between the membrane electrode assembly 111 and the separator 200.
  • the separation plate 200 is provided in the form shown in FIGS. 6, 14, 15, and 18 to prevent structural deformation of the flow channel.
  • the membrane electrode assembly 111 has a typical structure including an electrolyte membrane, an anode electrode, and a cathode electrode.
  • the electrolyte membrane is a polymer electrolyte formed to a thickness of approximately 5 ⁇ m to 200 ⁇ m, and has an ion exchange function to move hydrogen ions generated at the anode electrode to the cathode electrode.
  • the fuel cell 100 is illustrated as being made of a polymer electrolyte fuel cell, but the present invention is not limited thereto, and the present invention can be applied to various types of fuel cells.
  • An oxidizing agent inlet port and a fuel inlet port may be formed on one of the fastening plates 120 and 130, and an oxidizing agent outlet port and a fuel outlet port may be formed on the other fastening plate.
  • an oxidizing agent inlet port, a fuel inlet port, an oxidizing agent outlet port, and a fuel outlet port may all be formed in one of the fastening plates 120 and 130.
  • the fastening plates 120 and 130 may include a current collector plate for collecting current and an insulating plate for insulation.
  • Fuel can be supplied to the unit cells 110 through the fastening plates 120 and 130 and to the anode electrode through a flow channel formed in the separator plate 200. Additionally, the oxidizing agent may be supplied to the unit cells 110 through the fastening plates 120 and 130 and to the cathode electrode through a flow channel formed in the separator plate 200.
  • the oxidizing agent may be air or pure oxygen containing oxygen
  • the fuel may be hydrogen or a hydrocarbon-based fuel containing hydrogen.
  • the oxidizer and fuel are collectively referred to as fluid.
  • Fuel or oxidant may flow through the flow channel 230 depending on the position of the separator 200.
  • Figure 6 is a plan view showing a metal separator plate for a fuel cell according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 7 is an enlarged perspective view of part B1 of Figure 6
  • Figure 8 is a view from line B-B' in Figure 7. It is a cross-sectional view
  • FIG. 9 is a top view of FIG. 7.
  • the metal separator plate 200 (hereinafter referred to as metal separator plate) for a fuel cell according to the first embodiment of the present invention includes an inlet 210, an outlet 220, and a flow channel 230.
  • the inlet 210 is formed on one side of the metal separator plate 200 and fluid flows in, and the outlet port 220 is formed on the other side of the metal separator plate 200 and fluid flows out.
  • the flow channel 230 connects the inlet 210 and the outlet 220, and fluid flows therein.
  • a plurality of flow channels 230 are formed within one metal separator plate 200.
  • the flow channel 230 is provided with a stress reinforcement portion 233 to combat stress caused by stacking of the metal separator plates 200. This will be explained with reference to FIGS. 7 and 8.
  • the flow channel 230 is not entirely straight, but is formed in a zigzag shape in which the left and right sides of the channel repeatedly protrude and recess in the longitudinal direction.
  • the flow channel 230 includes a first protruding area 231 protruding in a first direction that is generally perpendicular to the flow direction of the fluid (length direction of the channel), and a first protrusion area 231 that protrudes in a direction opposite to the first direction and in the flow direction of the fluid.
  • Second protruding regions 232 protruding in a generally vertical second direction are alternately and repeatedly formed. At this time, at least a portion of the first protruding area 231 and the second protruding area 232 overlap to form the stress strengthening portion 233.
  • 'overlapping' does not mean overlapping while physically contacting, but rather means that some parts overlap while being spaced apart when viewed from the side of the flow channel 230.
  • the unexplained symbol 234 is a rib that forms the outer shape of the flow channel 230.
  • the stress The reinforcement portion 233 forms a support corresponding to a volume of “L 1 * W 1 * H”.
  • the stress reinforcement portion 233 forms a support of a predetermined volume within the flow channel 230
  • the fluid flow channel 230 is structurally deformed due to the stress caused by the stacking of the metal separator plates 200. can be prevented.
  • the length L 0 of the rib 234 may be determined by considering the magnitude of the applied stress and the length of the flow channel 230. Additionally, the width W 1 protruding from both ends of the rib 234 may be determined by considering the distance between the flow channel of one line and the flow channel of an adjacent line. For example, the width W 1 may be less than 1/2 of the width W 0 of the flow channel 230.
  • Stainless steel can be used as a material for the separator plate 200, and the flow channel 230 is formed with a first protruding region 231, a second protruding region 232, and a stress reinforcement portion 233 using a stamping method. ) can be manufactured.
  • FIGS. 10 to 13 are drawings for comparing and explaining the conventional metal separator plate and the metal separator plate of the present invention.
  • Figure 10 shows the results of an experiment on whether the flow channel was deformed by applying pressure using a laboratory hydraulic press. Each metal separator plate was placed in a laboratory hydraulic press, pressure-sensitive paper was placed under each metal separator plate, and then each metal separator plate was pressurized to a certain pressure.
  • Figure 10 (a) is the result of an experiment on the conventional metal separation plate shown in Figures 2 to 4
  • Figure 10 (b) is the metal separation plate according to the embodiment of the present invention shown in Figures 6 to 9. This is the result of an experiment on the board.
  • the metal separator plate of the present invention can increase the concentration (or flow rate) of the fluid supplied to the membrane electrode assembly 111. This will be explained with reference to FIGS. 11 to 13.
  • Figure 11 shows the flow direction of the fluid flowing in the flow channel in the conventional metal separator plate
  • Figure 12 shows the flow direction of the fluid flowing in the flow channel in the metal separator plate of the present invention.
  • the fluid flows in one direction, so the fluid flowing mainly in the area in contact with the gas diffusion layer 113 in the flow channel passes through the gas diffusion layer 113 to the membrane electrode assembly. It is supplied as (111).
  • the flow channel 230 is formed by the first protruding region 231, the second protruding region 232, and the stress strengthening portion 233.
  • the interface between the gas diffusion layer 113 and the gas diffusion layer 113 increases. Additionally, due to these, the fluid cannot flow in one direction and flows in a zigzag direction.
  • the area (interface) in contact with the gas diffusion layer 113 increases, and the fluid reaching the interface increases according to the zigzag flow of the fluid, thereby forming the gas diffusion layer 113. It is possible to increase the concentration (or flow rate) of the fluid supplied to the membrane electrode assembly 111.
  • Figure 13 shows the current density when applying the conventional metal separator plate and the metal separator plate of the present invention, respectively. Referring to Figure 13, it can be seen that due to the difference in flow paths between Figures 11 and 12 described above, the metal separator plate of the present invention shows a 3.2% increased current density in the high current density section.
  • Figure 14 is a plan view showing a flow channel of a metal separator plate for a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
  • the metal separator plate of this embodiment is different from the first embodiment described above only in the shape of the flow channel, but other configurations are substantially the same, so repeated description will be omitted.
  • the flow channel 230a includes ribs 234a of a corrugated shape, a first protruding region 231a protruding in a first direction, and a first protruding region 231a protruding in the first direction.
  • Second protruding regions 232a are formed alternately and repeatedly protruding in a second direction opposite to and substantially perpendicular to the flow direction of the fluid. At this time, at least a portion of the first protruding area 231a and the second protruding area 232a overlap to form the stress strengthening portion 233a.
  • the ribs are formed in a corrugated shape, so that the length of the ribs becomes longer compared to the metal separator plate in the first embodiment, thereby absorbing the stress caused by the stacking of the metal separator plates together with the stress reinforcement portion 233a, thereby improving the structure of the flow channel. Deformation can be further prevented.
  • the interface between the flow channel 230a and the gas diffusion layer 113 is further increased, making it possible to further increase the concentration (or flow rate) of the fluid supplied to the membrane electrode assembly 111 through the gas diffusion layer 113. .
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the magnitude distribution of stress due to stacking of conventional metal separator plates in a fuel cell stack
  • FIG. 16 is a plan view showing a metal separator plate for a fuel cell according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the size distribution of stress when using a metal separator plate for a fuel cell according to the third embodiment of the present invention.
  • Figure 15 is "Review on current research of materials, fabrication and application for bipolar plate in proton exchange membrane fuel cell (2019), Int. J. of Hydrogen Enegry, 45(54) DOI:10.1016/j.ijhydene.2019.07.231 "It is disclosed in
  • the magnitude of stress due to the stacking of conventional metal separator plates in a fuel cell stack is not the same in all areas of one metal separator plate 200b, and acts on the central portion of the metal separator plate 200b. It can be seen that the stress is the smallest, and the size of the stress increases from the center to the edges.
  • the deformation opposing force due to stress is that of the metal separator plate. As it varies depending on each area, the efficiency of the fuel cell may become uneven.
  • a first protruding region 231b, a second protruding region 232b, and a stress strengthening portion ( 233b), the size of the ribs 234b may be formed differently depending on the location.
  • the size of the stress reinforcement pattern may be formed to be the smallest in the central portion of the metal separator plate 200b, and may be formed to increase in size toward the edge portion.
  • the density of the stress reinforcement pattern at the center of the metal separator 200b is the highest, and the density becomes smaller toward the edge.
  • Stress strengthening pattern refers to a structure consisting of a first protruding region 231b, a second protruding region 232b, a stress strengthening portion 233b, and a rib 234b.
  • the gas diffusion layer (113, GDL). can be compressed uniformly.
  • electrical conduction resistance is reduced and resistance due to mass transfer can be reduced.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a fuel cell stack including a metal separator plate for a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the magnitude of stress due to stacking of metal separator plates is not the same for all metal separator plates, which are disposed in the central portion (Z2) of the fuel cell stack (S). It can be seen that the stress acting on the metal separator plate 200c is the smallest and most uniform, and the stress acting on the metal separator plate 200d disposed in the area (Z1) adjacent to the fastening plates 120 and 130 is the largest and most uneven. The inventor of the invention has confirmed. This means that the fastening pressure of the fastening plates 120 and 130 is transmitted most to the metal separation plate 200d disposed in the area Z1 adjacent to the fastening plates 120 and 130, and less is transmitted toward the central portion Z2. It is presumed that this is because
  • the deformation resistance due to stress may be different for each metal separator plate, which may result in uneven fuel cell efficiency.
  • the size of the stress reinforcement pattern may be formed differently depending on the position of the metal separator plate in one fuel cell stack (S).
  • the difference in rigidity between the cell center and the edge is small in the metal separator plate 200c disposed in the center of the fuel cell stack (S), and the cell center and edge become smaller as they move toward the fastening plates 120 and 130. Increases the difference in rigidity.
  • the stress reinforcement pattern density of the metal separator plate 200c disposed in the center of the fuel cell stack (S) is the smallest, and the metal separator plate 200d disposed adjacent to the fastening plates 120 and 130 has the smallest density. As the density increases, the density can increase.

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Abstract

복수개의 연료전지용 금속 분리판의 적층으로 인한 응력에 의해 유체의 유동 채널이 구조적으로 변형되는 것을 방지하기 위한 연료전지용 금속 분리판이 개시된다. 개시된 연료전지용 금속 분리판은, 일측에 형성되며 유체가 유입되는 유입구; 타측에 형성되며 상기 유체가 유출되는 유출구; 및, 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역과 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역이 교대로 반복 형성되고, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역의 적어도 일부가 중첩되어 형성된 응력 강화부와, 상기 유동 채널의 외형을 형성하는 리브를 구비한 유동 채널;을 포함한다.

Description

연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지
본 발명은 복수개의 연료전지용 금속 분리판의 적층으로 인한 응력에 의해 유체의 유동 채널이 구조적으로 변형되는 것을 방지하기 위한 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
연료 전지의 종류에는 600도씨 이상의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells) 및 고체 산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells)와 200도씨 이하의 비교적 저온에서 작동하는 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells), 고분자 전해질형 연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cells) 등이 있다.
도 1은 일반적인 고분자 전해질형 연료전지가 도시된 분해 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고분자 전해질형 연료전지(100)는 복수의 단위 전지(110)와 적층된 단위 전지(110)들의 외측에 배치된 체결판(120, 130)을 포함한다. 단위 전지(110)들은 막전극 접합체(111)와 그 양측에 배치된 분리판(112)을 포함하며, 복수의 단위 전지(110)들은 체결판(120, 130,end plate) 사이에서 적층 배열된다. 막전극 접합체(111)와 분리판(112) 사이에는 가스 확산층(113, GDL(Gas Diffusion Layer))이 배치된다.
도 2 내지 도 5를 참조하여 종래의 연료전지용 금속 분리판에 대해 설명한다. 도 2는 종래의 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이고, 도 3은 도 2의 A1 부분이 확대 도시된 사시도이며, 도 4는 도 3의 A-A'라인에서 바라본 단면도이고, 도 5는 종래의 연료전지용 금속 분리판의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 연료전지용 금속 분리판(112)은 유입구(112a)와 유출구(112b)가 유동 채널(112c)에 의해 연결 형성되며, 유동 채널(112c)을 통해 유체가 유동하면서 막전극 접합체(111)로 공급될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 종래의 유동 채널(112c)은 길이 방향으로 연장된 일자형으로 형성되고, 그 단면은 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있다.
이와 같이 형성되는 종래의 연료전지용 금속 분리판(112)이 복수개로 누적 적층되는데, 적층으로 인한 응력이 분리판(112)에 가해져서 도 5와 같이 금속 분리판(112)이 구조적으로 변형될 수 있다. 이러한 구조적 변형에 의해 가스 확산층(113)과 금속 분리판(112)의 접촉 면적과 금속분리판(112) 사이의 접촉 면적이 감소되고, 그 결과 전하 이동에 대한 저항이 증가한다. 또한 변형으로 인해 가스 확산층(113)에 충분한 압축력을 가하지 못하면 전하 이동에 대한 저항이 증가하여 연료전지의 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 복수개의 연료전지용 금속 분리판의 적층으로 인한 응력에 의해 유체의 유동 채널이 구조적으로 변형되는 것을 방지하기 위한 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판은,
일측에 형성되며 유체가 유입되는 유입구; 타측에 형성되며 상기 유체가 유출되는 유출구; 및, 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역과 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역이 교대로 반복 형성되고, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역의 적어도 일부가 중첩되어 형성된 응력 강화부와, 상기 유동 채널의 외형을 형성하는 리브를 구비한 유동 채널;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 있어서, 상기 유동 채널에 가해지는 응력의 크기와 상기 유동 채널의 길이를 고려하여 상기 리브의 길이가 결정되고, 어느 한 라인의 유동 채널과 인접 라인의 유동 채널과의 간격을 고려하여 상기 리브의 양단부에서 돌출되는 폭의 크기가 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 있어서, 금속 분리판의 재료로 스텐레스 스틸을 사용하며, 스탬핑 방식으로 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부가 형성된 유동 채널을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 있어서, 상기 리브는 주름진 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 있어서, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며, 상기 응력 강화 패턴의 크기는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 작게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 있어서, 상기 응력 강화 패턴의 밀도는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 크게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지는,
막전극 접합체와 유체가 유동하는 유동 채널을 구비한 금속 분리판을 포함하는 복수개의 단위 전지; 및, 상기 복수개의 단위 전지들의 외측에 배치된 체결판;을 포함한다. 여기서, 상기 유동 채널은, 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역과 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역이 교대로 반복 형성되고, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역의 적어도 일부가 중첩되어 형성된 응력 강화부와, 상기 유동 채널의 외형을 형성하는 리브를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 유동 채널에 가해지는 응력의 크기와 상기 유동 채널의 길이를 고려하여 상기 리브의 길이가 결정되고, 어느 한 라인의 유동 채널과 인접 라인의 유동 채널과의 간격을 고려하여 상기 리브의 양단부에서 돌출되는 폭의 크기가 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 금속 분리판의 재료로 스텐레스 스틸을 사용하며, 스탬핑 방식으로 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부가 형성된 유동 채널을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 리브는 주름진 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며, 상기 응력 강화 패턴의 크기는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 작게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 응력 강화 패턴의 밀도는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 크게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 복수개의 단위 전지에 각각 포함된 금속 분리판들 중에서, 상기 체결판과 인접하여 배치되는 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 크기가 가장 작고, 중앙 부분의 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 크기가 가장 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 상기 복수개의 단위 전지에 각각 포함된 금속 분리판들 중에서, 상기 체결판과 인접하여 배치되는 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 밀도가 가장 크고, 중앙 부분의 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 밀도가 가장 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면,
복수개의 연료전지용 금속 분리판의 적층으로 인한 응력에 의해 유체의 유동 채널이 구조적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 가스 확산층과 접하는 경계와 분리판 끼리 접하는 경계면이 커지고, 유체의 지그재그 유동에 따라 전기화학반응면에 도달하는 유체가 증가하게 되어, 가스 확산층을 통해 막전극 접합체로 공급되는 유체의 농도(또는 유량)를 증가시킬 수 있게 되어, 연료 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 고분자 전해질형 연료전지가 도시된 분해 사시도이다.
도 2는 종래의 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이다.
도 3은 도 2의 A1 부분이 확대 도시된 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A'라인에서 바라본 단면도이다.
도 5는 종래의 연료전지용 금속 분리판의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이다.
도 7은 도 6의 B1 부분이 확대 도시된 사시도이다.
도 8은 도 7의 B-B'라인에서 바라본 단면도이다.
도 9는 도 7의 평면도이다.
도 10 내지 도 13은 종래의 금속 분리판과 본 발명의 금속 분리판을 비교 설명하기 위한 도면들이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 유동 채널이 도시된 평면도이다.
도 15는 연료전지 스택에서 종래의 금속 분리판 적층으로 인한 응력의 크기 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이다.
도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 사용시 응력의 크기 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판을 구비한 연료전지 스택이 도시된 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 설명한다.
먼저, 다시 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지용 금속 분리판을 포함하는 연료전지 스택에 대해 설명한다.
연료 전지(100)는 복수의 단위 전지(110)와 적층된 단위 전지(110)들의 외측에 배치된 체결판(120, 130)을 포함한다. 단위 전지(110)들은 막전극 접합체(111)와 그 양측에 배치된 분리판(200)을 포함하며, 복수의 단위 전지(110)들은 체결판(120, 130) 사이에서 적층 배열된다. 막전극 접합체(111)와 분리판(200) 사이에는 가스 확산층(113)이 배치된다. 본 발명의 실시예들에서 분리판(200)은 유동 채널의 구조적 변형을 방지하기 위해 도 6, 도 14, 도 15, 도 18에 도시된 형태로 제공된다.
막전극 접합체(111)는 전해질막과 애노드 전극, 캐소드 전극을 포함하는 통상적인 구조로 이루어진다. 전해질막은 대략 5㎛ 내지 200㎛의 두께로 형성되는 고분자 전해질로서, 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환 기능을 가진다. 본 실시예에서는 연료 전지(100)가 고분자 전해질 연료전지로 이루어진 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 다양한 타입의 연료 전지에 적용될 수 있다.
체결판(120, 130) 중 어느 하나에는 산화제 유입구 포트와 연료 입구 포트가 형성되고, 나머지 체결판에는 산화제 출구 포트와 연료 출구 포트가 형성될 수 있다. 또는, 체결판(120, 130) 중 어느 하나에 산화제 유입구 포트, 연료 입구 포트, 산화제 출구 포트, 연료 출구 포트가 모두 형성될 수도 있다. 체결판(120, 130)은 전류를 집전하기 위한 집전판과 절연을 위한 절연판을 포함할 수 있다.
연료는 체결판(120, 130)을 통해서 단위 전지(110)들로 공급되며 분리판(200)에 형성된 유동 채널을 통해서 애노드 전극으로 공급될 수 있다. 또한, 산화제는 체결판(120, 130)을 통해서 단위 전지(110)들로 공급되며 분리판(200)에 형성된 유동 채널를 통해서 캐소드 전극으로 공급될 수 있다.
여기서, 산화제는 산소를 포함하는 공기 또는 순산소로 이루어질 수 있으며, 연료는 수소 또는 수소를 포함하는 탄화수소계 연료로 이루어질 수 있다. 본 명세서에서 산화제와 연료를 통칭하여 유체라 한다. 유동 채널(230)은 분리판(200)의 위치에 따라 연료가 유동하거나 산화제가 유동할 수 있다.
다음, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이고, 도 7은 도 6의 B1 부분이 확대 도시된 사시도이며, 도 8은 도 7의 B-B'라인에서 바라본 단면도이고, 도 9는 도 7의 평면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판(200, 이하, 금속 분리판)은, 유입구(210)와 유출구(220)와 유동 채널(230)을 포함한다.
유입구(210)는 금속 분리판(200)의 일측에 형성되며 유체가 유입되고, 유출구(220)는 금속 분리판(200)의 타측에 형성되며 유체가 유출된다.
유동 채널(230)은 유입구(210)와 유출구(220)를 연결하며, 그 내부에는 유체가 유동한다. 유동 채널(230)은 하나의 금속 분리판(200) 내에 복수개로 형성된다. 본 발명에서 유동 채널(230)은 금속 분리판(200)의 적층으로 인한 응력에 대항하기 위한 응력 강화부(233)를 구비한다. 이에 대해 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 유동 채널(230)은 전체적으로 일자 형상이 아니라, 길이 방향을 기준으로 채널의 좌우 측면이 반복적으로 돌출 및 함몰된 지그재그 형상으로 형성된다.
구체적으로 유동 채널(230)은 유체의 유동 방향(채널의 길이 방향)에 대체로 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역(231)과, 제1 방향과는 반대 방향이면서 유체의 유동 방향에 대체로 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역(232)이 교대로 반복 형성된다. 이때, 제1 돌출 영역(231)과 제2 돌출 영역(232)의 적어도 일부는 중첩되어 응력 강화부(233)를 형성한다. 여기서, '중첩'은 물리적으로 접촉되면서 포개어지는 것을 의미하는 것이 아니라, 유동 채널(230)의 측면에서 바라볼 때 이격된 상태에서 일부가 겹쳐지는 것을 의미한다. 예를 들어, 도 9에서와 같이 유동 채널(230)의 측면 방향(도 9에서 상하 방향)에서 바라볼 때, 제1 돌출 영역(231)과 제2 돌출 영역(232)이 L1 만큼 겹쳐진 상태를 의미한다. 미설명 부호 234는 유동 채널(230)의 외형을 형성하는 리브(rib)이다.
제1 돌출 영역(231)과 제2 돌출 영역(232)이 겹쳐진 길이가 L1이고, 리브(234) 양단부에서 돌출된 폭이 W1이며 유동 채널(230)의 높이를 H라고 할 때, 응력 강화부(233)는 "L1*W1*H"의 체적에 해당하는 지지대를 형성하게 된다.
이와 같이 응력 강화부(233)가 유동 채널(230) 내에서 소정 체적의 지지대를 형성함에 따라, 금속 분리판(200)의 적층으로 인한 응력에 의해 유체의 유동 채널(230)이 구조적으로 변형되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 가해지는 응력의 크기와 유동 채널(230)의 길이를 고려하여 리브(234)의 길이 L0가 결정될 수 있다. 또한, 어느 한 라인의 유동 채널과 인접 라인의 유동 채널과의 간격을 고려하여 리브(234) 양단부에서 돌출된 폭 W1가 결정될 수 있다. 예를 들어, 폭 W1는 유동 채널(230)의 폭 W0 의 1/2이하가 되도록 할 수 있다.
분리판(200)의 재료로 스텐레스 스틸을 사용할 수 있으며, 스탬핑(Stamping) 방식으로, 제1 돌출 영역(231)과 제2 돌출 영역(232)과 응력 강화부(233)가 형성된 유동 채널(230)을 구비한 분리판(200)을 제조할 수 있다.
다음, 도 10 내지 도 13을 참조하여 종래의 금속 분리판과 본 발명의 금속 분리판을 비교 설명한다. 도 10 내지 도 13은 종래의 금속 분리판과 본 발명의 금속 분리판을 비교 설명하기 위한 도면들이다.
도 10은 실험실용 유압 프레스기로 압력을 가하여 유동 채널의 변형 여부에 대해 실험한 결과이다. 실험실용 유압 프레스기에 각각의 금속 분리판을 배치시키고 각각의 금속 분리판 하부에 감압지를 배치시킨 후, 각각의 금속 분리판을 일정 압력으로 가압하였다. 도 10의 (a)는 도 2 내지 도 4에 도시된 종래의 금속 분리판에 대한 실험 결과이고, 도 10의 (b)는 도 6 내지 도 9에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 금속 분리판에 대한 실험 결과이다.
도 10 (a)의 감압지 실험 결과를 참조하면, 빨간색 라인으로 표시된 유동 채널 영역 중앙에 흰색 영역이 나타난 것을 확인할 수 있다. 흰색 영역은 압력이 실질적으로 0인 영역으로, 도 6과 같이 금속 분리판이 변형된 결과임을 알 수 있다.
반면, 도 10 (b)의 감압지 실험 결과를 참조하면, 빨간색 라인으로 표시된 유동 채널 영역에 흰색 영역이 없음을 확인할 수 있다. 이는, 본 발명의 금속 분리판에서는 응력 강화부(233)가 금속 분리판 적층으로 인한 응력을 흡수하여 유동 채널의 구조적 변형을 방지함을 알 수 있다.
한편, 종래의 금속 분리판과 비교하여 본 발명의 금속 분리판은 막전극 접합체(111)로 공급되는 유체의 농도(또는 유량)를 증가시킬 수 있다. 이에 대해 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한다.
도 11에는 종래의 금속 분리판에서 유동 채널 내를 유동하는 유체의 흐름 방향이 도시되어 있고, 도 12에는 본 발명의 금속 분리판에서 유동 채널 내를 유동하는 유체의 흐름 방향이 도시되어 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 종래의 금속 분리판에서는 유체가 일 방향으로 유동하므로, 유동 채널 내에서 주로 가스 확산층(113)과 접하는 영역을 유동하는 유체가 가스 확산층(113)을 통해 막전극 접합체(111)로 공급된다.
반면, 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 금속 분리판에서는 제1 돌출 영역(231)과 제2 돌출 영역(232)과 응력 강화부(233)에 의해 유동 채널(230)과 가스 확산층(113) 간의 경계면이 증가하게 된다. 또한, 이들에 의해 유체는 일 방향으로 유동하지 못하고, 지그재그 방향으로 유동하게 된다.
즉, 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 가스 확산층(113)과 접하는 영역(경계면)이 커지고, 유체의 지그재그 유동에 따라 경계면에 도달하는 유체가 증가하게 되어, 가스 확산층(113)을 통해 막전극 접합체(111)로 공급되는 유체의 농도(또는 유량)를 증가시킬 수 있게 된다.
도 13은 종래의 금속 분리판과 본 발명의 금속 분리판을 각각 적용할 경우의 전류 밀도에 대해 보여준다. 도 13을 참조하면, 전술한 도 11 및 도 12의 유동 경로 차이로 인해, 본 발명의 금속 분리판은 고전류밀도 구간에서 3.2% 증가된 전류 밀도를 보임을 확인할 수 있다.
다음, 도 14를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대해 설명한다. 도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 유동 채널이 도시된 평면도이다.
본 실시예의 금속 분리판은 유동 채널의 형상이 전술한 제1 실시예와 다를 뿐, 다른 구성은 실질적으로 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
도 14를 참조하면, 본 실시예의 금속 분리판에서 유동 채널(230a)은 주름진 형상의 리브(234a, rib)를 구비하며, 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역(231a)과, 제1 방향과는 반대 방향이면서 유체의 유동 방향에 대체로 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역(232a)이 교대로 반복 형성된다. 이때, 제1 돌출 영역(231a)과 제2 돌출 영역(232a)의 적어도 일부는 중첩되어 응력 강화부(233a)를 형성한다.
본 실시예에서 리브가 주름진 형상으로 형성됨으로써, 제1 실시예의 금속 분리판 대비 리브의 길이가 길어지게 됨에 따라, 응력 강화부(233a)와 함께 금속 분리판 적층으로 인한 응력을 흡수하여 유동 채널의 구조적 변형을 더욱 더 방지할 수 있다. 또한, 유동 채널(230a)과 가스 확산층(113) 간의 경계면이 더욱 증가하게 되어 가스 확산층(113)을 통해 막전극 접합체(111)로 공급되는 유체의 농도(또는 유량)를 더욱 증가시킬 수 있게 된다.
다음, 도 15 내지 도 17을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대해 설명한다. 도 15는 연료전지 스택에서 종래의 금속 분리판 적층으로 인한 응력의 크기 분포를 설명하기 위한 도면이고, 도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판이 도시된 평면도이며, 도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판 사용시 응력의 크기 분포를 설명하기 위한 도면이다. 도 15는 "Review on current research of materials, fabrication and application for bipolar plate in proton exchange membrane fuel cell (2019), Int. J. of Hydrogen Enegry, 45(54) DOI:10.1016/j.ijhydene.2019.07.231"에 개시되어 있다.
도 15를 참조하면, 연료전지 스택에서 종래의 금속 분리판 적층으로 인한 응력의 크기는, 하나의 금속 분리판(200b)에서 모든 영역에 동일한 것은 아니며, 금속 분리판(200b)의 중앙 부분에 작용하는 응력이 가장 작으며, 중앙 부분에서 가장자리 부분으로 갈수록 응력의 크기는 커짐을 알 수 있다.
따라서, 일률적으로 동일한 크기로 제1 돌출 영역(231b), 제2 돌출 영역(232b), 응력 강화부(233b), 리브(234b) 등을 제조할 경우, 응력으로 인한 변형 대항력이 금속 분리판의 각 영역에 따라 상이하게 되어, 연료 전지의 효율이 불균일해질 수도 있다.
이를 해소하기 위해, 도 16에 도시된 바와 같이, 하나의 금속 분리판(200b) 내에 형성된 복수개의 유동 채널 각각에 형성된 제1 돌출 영역(231b), 제2 돌출 영역(232b), 응력 강화부(233b), 리브(234b)의 크기가 위치에 따라 상이하게 형성될 수 있다.
바람직하게는, 본 실시예에서 금속 분리판(200b)의 중앙 부분에서 응력 강화 패턴의 크기를 가장 작게 형성하고, 가장 자리 부분으로 갈수록 크기를 크게 형성할 수 있다. 다른 표현으로, 금속 분리판(200b)의 중앙 부분의 응력 강화 패턴 밀도가 가장 크고, 가장 자리 부분으로 갈수록 밀도가 작게 형성할 수 있다. "응력 강화 패턴"이란, 제1 돌출 영역(231b), 제2 돌출 영역(232b), 응력 강화부(233b), 및 리브(234b)로 이루어진 구조체를 의미한다.
상기와 같이 응력 강화 패턴의 크기를 달리하여 형성함으로써, 도 17에 도시된 바와 같이, 전체적으로 균일한 응력(압축률)이 되도록 할 수 있다.
그 결과, 같은 힘이 균일하게 가해질 때는 기존의 금속 분리판 보다 유로 변형이 적으므로 전기 전도 저항을 줄일 수 있게 되고, 힘이 불균일하게 가해질 때는 강성 차이를 이용하여 내부 부품인 가스 확산층(113, GDL)을 균일하게 압축할 수 있게 된다. 가스 확산층(113, GDL)이 균일하게 압축되면 전기 전도 저항이 줄어 들며 물질 전달에 의한 저항을 줄일 수 있게 된다.
다음, 도 18을 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판에 대해 설명한다. 도 18은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판을 구비한 연료전지 스택이 도시된 도면이다.
복수개의 금속 분리판을 포함하는 연료전지 스택(S)에서, 금속 분리판 적층으로 인한 응력의 크기가 모든 금속 분리판에 대해 동일한 것은 아니며, 연료전지 스택(S)의 중앙 부분(Z2)에 배치된 금속 분리판(200c)에 작용하는 응력이 가장 작고 균일하며, 체결판(120, 130)과 인접한 영역(Z1)에 배치된 금속 분리판(200d)에 작용하는 응력이 가장 크고 불균일함을 본 발명의 발명자는 확인하였다. 이는 체결판(120, 130)의 체결 압력이, 체결판(120, 130)과 인접한 영역(Z1)에 배치된 금속 분리판(200d)에 가장 많이 전달되고, 중앙 부분(Z2)으로 갈수록 적게 전달되기 때문으로 추정된다.
따라서, 일률적으로 동일하게 금속 분리판을 제조할 경우, 응력으로 인한 변형 대항력이 각각의 금속 분리판에 따라 상이하게 되어, 연료 전지의 효율이 불균일해질 수도 있다.
이를 해소하기 위해, 하나의 연료전지 스택(S)에서 금속 분리판의 위치에 따라 응력 강화 패턴의 크기가 상이하게 형성될 수 있다.
바람직하게는, 본 실시예에서 연료전지 스택(S)의 중앙 부분에 배치된 금속 분리판(200c)에서 셀 중앙부와 가장자리 강성 차이를 작게 두고, 체결판(120, 130)으로 갈수록 셀 중앙부와 가장자리 강성 차이를 크게 한다. 다른 표현으로, 연료전지 스택(S)의 중앙 부분에 배치된 금속 분리판(200c)의 응력 강화 패턴 밀도가 가장 작고, 체결판(120, 130)과 인접하여 배치된 금속 분리판(200d)으로 갈수록 밀도가 크게 형성할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 일측에 형성되며 유체가 유입되는 유입구;
    타측에 형성되며 상기 유체가 유출되는 유출구; 및,
    외형을 형성하는 리브와, 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역과 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역이 교대로 반복 형성되고, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역의 적어도 일부가 중첩되어 형성된 응력 강화부를 포함하는 유동 채널;
    을 포함하는, 연료전지용 금속 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유동 채널에 가해지는 응력의 크기와 상기 유동 채널의 길이를 고려하여 상기 리브의 길이가 결정되고, 어느 한 라인의 유동 채널과 인접 라인의 유동 채널과의 간격을 고려하여 상기 리브의 양단부에서 돌출되는 폭의 크기가 결정되는, 연료전지용 금속 분리판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    금속 분리판의 재료로 스텐레스 스틸을 사용하며, 스탬핑 방식으로 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부가 형성된 유동 채널을 제조하는, 연료전지용 금속 분리판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 리브는 주름진 형상으로 형성되는, 연료전지용 금속 분리판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며,
    상기 응력 강화 패턴의 크기는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 작게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 크게 형성되는, 연료전지용 금속 분리판.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며,
    상기 응력 강화 패턴의 밀도는, 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 크게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 작게 형성되는, 연료전지용 금속 분리판.
  7. 막전극 접합체와 상기 막전극 접합체의 양측에 각각 형성되며, 유체가 유동하는 유동 채널을 구비한 금속 분리판을 포함하는 복수개의 단위 전지; 및,
    상기 복수개의 단위 전지들의 외측에 배치된 체결판;을 포함하고,
    상기 유동 채널은,
    상기 유체의 유동 방향에 수직인 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출 영역과 상기 유체의 유동 방향에 수직인 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출 영역이 교대로 반복 형성되고, 상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역의 적어도 일부가 중첩되어 형성된 응력 강화부와, 상기 유동 채널의 외형을 형성하는 리브를 포함하는, 연료전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며,
    상기 응력 강화 패턴의 크기는 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 작게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 크게 형성되거나, 또는
    상기 응력 강화 패턴의 밀도는 금속 분리판의 중앙 부분에서 가장 크게 형성되고, 가장 자리 부분으로 갈수록 작게 형성되는, 연료전지.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며,
    상기 복수개의 단위 전지에 각각 포함된 금속 분리판들 중에서,
    상기 체결판과 인접하여 배치되는 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 크기가 가장 작고, 중앙 부분의 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 크기가 가장 큰 것을 특징으로 하는 연료전지.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 돌출 영역과 상기 제2 돌출 영역과 상기 응력 강화부와 상기 리브로 응력 강화 패턴을 구성하며,
    상기 복수개의 단위 전지에 각각 포함된 금속 분리판들 중에서,
    상기 체결판과 인접하여 배치되는 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 밀도가 가장 크고, 중앙 부분의 단위 전지의 금속 분리판에 형성된 유동 채널의 응력 강화 패턴의 밀도가 가장 작은 것을 특징으로 하는 연료전지.
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