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KR102700630B1 - 연료전지 장치 - Google Patents

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KR102700630B1
KR102700630B1 KR1020220011251A KR20220011251A KR102700630B1 KR 102700630 B1 KR102700630 B1 KR 102700630B1 KR 1020220011251 A KR1020220011251 A KR 1020220011251A KR 20220011251 A KR20220011251 A KR 20220011251A KR 102700630 B1 KR102700630 B1 KR 102700630B1
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electrode assembly
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membrane electrode
section
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윤선호
최영진
임진혁
황기연
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한국자동차연구원
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Abstract

본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 막전극 접합체와, 막전극 접합체와 마주보게 배치되는 가스확산부와, 가스확산부로 반응가스를 공급하는 채널부와 채널부와 교대로 배치되는 랜드부를 구비하는 한 쌍의 분리판부와, 한 쌍의 분리판부의 사이에 구비되고, 냉각수가 유입되는 냉각채널부 및 분리판부에 구비되고, 냉각채널부로 유입된 냉각수의 유동을 유효냉각영역으로 집중시키는 유동집중부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 장치{FUEL CELL APPARATUS}
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 막전극 접합체의 반응영역에서의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 전력반응수단으로, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
연료전지의 이온교환막은 물 함유도에 비례하여 수소이온을 전도하는 특성이 있어 이온전도도를 높이기 위해 가습된 공급 기체를 사용하고 있으며, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적인 반응에 의해 물을 생성한다. 이에 따라 연료전지 내에서 적절한 물 관리가 이루어지지 않으면 물이 반응기체의 통로를 막아 성능이 급격히 하락하는 플러딩(flooding)현상이 일어나게 된다. 따라서 연료전지 내의 물 관리를 적절히 할 수 있는 방안에 대한 연구 및 개발이 필요하다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 특허등록공보 제10-0599776호(2006.07.05 등록, 발명의 명칭: 연료 전지 시스템 및 그 스택)에 개시되어 있다.
본 발명은 막전극 접합체의 반응영역에서의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 연료전지 장치는: 막전극 접합체와; 상기 막전극 접합체와 마주보게 배치되는 가스확산부와; 상기 가스확산부로 반응가스를 공급하는 채널부와, 상기 채널부와 교대로 배치되는 랜드부를 구비하는 한 쌍의 분리판부와; 한 쌍의 상기 분리판부의 사이에 구비되고, 냉각수가 유입되는 냉각채널부; 및 상기 분리판부에 구비되고, 상기 냉각채널부로 유입된 상기 냉각수의 유동을 유효냉각영역으로 집중시키는 유동집중부;를 포함한다.
또한, 상기 유동집중부는 상기 냉각채널부로 유입된 냉각수의 유동에 간섭되어 상기 냉각수가 상기 유효냉각영역의 외측으로 유출되는 것을 차단한다.
또한, 상기 유동집중부는 상기 분리판부로부터 상기 냉각채널부를 향해 돌출된다.
또한, 상기 유동집중부는 상기 냉각채널부의 양측에 형성된다.
또한, 상기 유동집중부는 상기 냉각채널부와 나란하게 배치된다.
또한, 어느 하나의 상기 분리판부에 구비되는 상기 유동집중부는 나머지 하나의 상기 분리판부에 구비되는 상기 유동집중부와 상호 접촉된다.
또한, 상기 막전극 접합체를 지지하는 서브가스켓; 및 상기 서브가스켓을 관통하여 형성되고, 상기 막전극 접합체와 상기 가스확산부를 연통시키는 연통부;를 더 포함한다.
또한, 상기 가스확산부의 면적은 상기 연통부의 면적보다 크다.
또한, 상기 유효냉각영역의 면적은 상기 연통부의 면적과 동일하다.
또한, 상기 유동집중부에 구비되고, 상기 가스확산부를 지지하는 처짐방지부;를 더 포함한다.
또한, 상기 처짐방지부는 상기 유동집중부로부터 상기 가스확산부를 향해 돌출되어 상기 가스확산부와 접촉된다.
또한, 상기 처짐방지부의 높이는 상기 랜드부의 높이와 동일하다.
또한, 상기 처짐방지부는 복수개로 구비되어 상기 유동집중부의 길이 방향을 따라 배치된다.
본 발명에 따른 연료전지 장치는 접촉성능향상부가 반응영역에서 가스확산부가 막전극 접합체에 밀착되도록 가스확산부를 막전극 접합체 측으로 가압함으로써 반응영역에서의 계면 저항을 감소시키고, 연료전지의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 장치는 접촉성능향상부가 랜드부의 전체 구간 중 막전극 접합체의 반응영역과 마주보는 구간 내에 형상됨에 따라 반응영역의 외측에 배치되는 가스확산부의 테두리부에 과도한 가압력을 인가됨에 따른 가스확산부의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 장치는 공급성능향상부에 의해 반응가스가 유입 및 배출되는 채널부의 양단부에서 랜드부가 가스확산부에 가하는 가압력의 크기를 완화시킴으로써 채널부를 유동하는 반응가스의 압력이 강하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 장치는 유동집중부에 의해 냉각채널부로 유입된 냉각수의 유동을 유효냉각영역으로 집중시킴에 따라 막전극 접합체의 반응영역에서의 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 장치는 처짐방지부가 유동집중부와 다른 방향으로 돌출되어 유효냉각영역 외측에서 유동집중부와 마주보게 배치되는 가스확산부의 테두리부를 지지함에 따라 가스확산부의 처짐 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 서브가스켓의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브가스켓의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 구성을 개략적으로 나타내는 확대사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 설치 상태를 X축 방향으로 절개한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 구성을 Y축 방향으로 절개한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동집중부와 처짐방지부의 구성을 개략적으로 나타내는 확대사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동집중부와 처짐방지부의 구성을 개략적으로 나타내는 단면사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동집중부와 처짐방지부의 설치 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 장치의 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 접속)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(또는 구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 "포함(또는 구비)"할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 특정 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 그 부호들은 다른 도면을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 특정 도면에 참조 부호가 표시되지 않은 부분이 있더라도, 그 부분은 다른 도면들을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 본 출원의 도면들에 포함된 세부 구성요소들의 개수, 형상, 크기 및 크기의 상대적인 차이 등은 이해의 편의를 위해 설정된 것으로서, 실시예들을 제한하지 않으며 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는 막전극 접합체(100), 서브가스켓(200), 가스확산부(300), 분리판부(400), 냉각채널부(500), 유동집중부(600)를 포함한다.
막전극 접합체(MEA, Membrane-Electrode Assembly)(100)는 후술하는 분리판부(400)로부터 공급되는 반응가스 즉, 수소 및 산소의 전기화학적 반응을 유도하여 전기에너지를 생성한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체(100)는 수소 양이온(proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막 양면에 각각 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 공기극(cathode)과 연료극(anode)으로 구성되는 촉매층을 포함할 수 있다. 이와 같은 촉매층은 백금 재질로 구비될 수 있다. 막전극 접합체(100)는 복수개로 구비되어 연료전지 스택의 적층 방향을 따라 상호 이격되게 배치된다.
서브가스켓(200)은 막전극 접합체(100)와 결합되어 막전극 접합체(100)를 지지한다. 보다 구체적으로, 서브가스켓(200)은 자체적인 강성에 의해 막전극 접합체(100)의 형상을 유지시킴으로써 연료전지 운전 중 반복적 팽윤 및 수축으로 인해 막전극 접합체(100)가 손상되는 것을 방지하고, 연질 특성을 갖는 막전극 접합체(100)의 낮은 취급성(handling)을 개선하며, 막전극 접합체(100)로부터 반응가스가 유출되는 것을 방지하는 구성으로서 기능한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 서브가스켓의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브가스켓의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 서브가스켓(200)은 한 쌍으로 구비되어 막전극 접합체(100)를 사이에 두고 서로 마주보게 배치된다. 한 쌍의 서브가스켓(200)은 서로 대향하는 면이 각각 막전극 접합체(100)의 상면 및 하면에 접합된다. 서브가스켓(200)은 PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Poly Ethylene terephthalate), PI(Polymide) 및 PP(PolyPropylene)등의 고분자 재질로 구비될 수 있다. 서브가스켓(200)의 두께는 막전극 접합체(100)의 두께보다 크게 형성된다. 일 예로, 막전극 접합체(100)의 두께는 약 15μm 일 수 있고, 서브가스켓(200)의 두께는 약 35μm일 수 있다.
서브가스켓(200)의 중앙부에는 연통부(210)가 구비된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연통부(210)는 서브가스켓(200)을 상하로 수직하게 관통하는 홀의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 연통부(210)에 의해, 서브가스켓(200)은 대략 막전극 접합체(100)의 테두리 부분만을 감싸는 형태를 갖도록 형성된다. 연통부(210)는 한 쌍의 서브가스켓(200)을 개별적으로 관통하도록 형성된다. 연통부(210)는 서브가스켓(200)에 의해 지지되는 막전극 접합체(100)의 중앙 영역을 외부로 노출시킴으로써 막전극 접합체(100)와 후술하는 가스확산부(300)를 상호 연통시킨다. 즉, 연통부(210)는 막전극 접합체(100)와 가스확산부(300) 사이에서 반응가스 및 수분이 이동될 수 있는 통로로서의 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 막전극 접합체(100)의 반응영역은 연통부(210)에 의해 외부로 노출되어 후술하는 가스확산부(300)를 통해 반응가스를 실질적으로 공급받는 영역을 의미한다. 이와 같은 막전극 접합체(100)의 반응영역의 면적은 연통부(210)의 면적과 동일하게 형성될 수 있다.
가스확산부(300)는 막전극 접합체(100)와 마주보게 배치된다. 가스확산부(300)는 후술하는 분리판부(400)로부터 공급되는 반응가스를 막전극 접합체(100)의 촉매층 즉, 공기극 또는 연료극로 확산시키며, 막전극 접합체(100)로부터 발생되는 수분을 분리판부(400)로 배출시킨다. 가스확산부(300)는 각각의 막전극 접합체(100)에 대해 한 쌍으로 마련된다. 한 쌍의 가스확산부(300)는 막전극 접합체(100)를 사이에 두고 상호 이격되게 배치되며, 서로 대향하는 면이 각각 막전극 접합체(100)의 공기극 및 연료극과 마주보게 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스확산부(300)는 화이버(fiber) 형태의 탄소 섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 계열의 소수성 바인더로 구성되는 기재와, 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌 계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조된 후, 기재의 일면에 도포되는 미세기공층을 포함할 수 있다. 기재와 미세기공층은 소정값의 기공률을 갖는 다공성의 구조로 형성된다. 미세기공층의 기공률은 기재의 기공률보다 작게 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 가스확산부(300)의 면적은 연통부(210)의 면적보다 크게 형성된다. 이에 따라 가스확산부(300)는 연료전지 스택의 적층 시, 테두리부가 서브가스켓(200)에 접촉되어 안정적으로 지지될 수 있다.
분리판부(400)는 가스확산부(300)와 마주보게 배치되고, 막전극 접합체(100)와 가스확산부(300)를 구조적으로 지지한다. 분리판부(400)는 가스확산부(300)를 통해 막전극 접합체(100)로 반응가스를 공급함과 동시에 막전극 접합체(100)에서의 전기화학적 반응에 의해 발생된 수분을 외부로 배출하는 구성으로서 기능한다. 또한, 분리판부(400)는 막전극 접합체(100)에서의 공기극과 연료극을 전기적으로 연결시켜주는 전도체의 역할을 수행한다. 분리판부(400)는 충분한 강성을 확보함과 동시에 전기적으로 통전 가능하도록 스테인레스강(stainless steel), 알루미늄합금강(aluminum alloy steel), 니켈합금강(nickel alloy steel) 등의 재질로 구비될 수 있다.
분리판부(400)는 한 쌍으로 구비되어 서로 대칭되게 배치된다. 한 쌍의 분리판부(400)는 연료전지 스택의 적층 시 대향하는 면이 상호 접촉된다. 한 쌍의 분리판부(400)는 복수개의 세트로 마련되어 이웃하는 막전극 접합체(100)의 공기극 및 연료극과 각각 마주보는 한 쌍의 가스확산부(300) 사이마다 개별적으로 배치된다. 한 쌍의 분리판부(400)는 이웃하는 막전극 접합체(100)로 서로 다른 종류의 반응가스를 공급한다. 즉, 한 쌍의 분리판부(400) 중 어느 하나는 이웃하는 막전극 접합체(100) 중 어느 하나의 연료극으로 수소를 공급하고, 한 쌍의 분리판부(400) 중 나머지 하나는 이웃하는 막전극 접합체(100) 중 나머지 하나의 공기극으로 공기를 공급한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 구성을 개략적으로 나타내는 확대사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 설치 상태를 X축 방향으로 절개한 단면도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 구성을 Y축 방향으로 절개한 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부(400)는 유입부(410), 배출부(420), 채널부(430), 랜드부(440)를 포함한다.
유입부(410)는 분리판부(400)의 일단부에 구비되어 분리판부(400)로 반응가스 및 냉각수를 유입시킨다.
배출부(420)는 분리판부(400)의 타단부에 구비되어 분리판부(400)로부터 반응가스 및 냉각수를 배출시킨다.
유입부(410)와 배출부(420)는 분리판부(400)의 길이 방향 즉, 도 5를 기준으로 X축 방향으로 상호 이격되게 배치된다.
채널부(430)는 분리판부(400)의 중앙 영역 즉, 유입부(410)와 배출부(420) 사이에 구비된다. 채널부(430)는 유입부(410)로부터 유입되는 반응가스의 유동을 배출부(420)로 안내하며 가스확산부(300)로 반응가스를 공급한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 채널부(430)는 분리판부(400)가 가스확산부(300)와 마주보는 면으로부터 가스확산부(300)와 멀어지는 방향으로 오목하게 함몰 형성된다. 채널부(430)는 길이 방향이 X축 방향과 나란한 방향으로 연장된다. 채널부(430)는 분리판부(400)의 일단부로 유입된 반응가스 및 막전극 접합체(100)로부터 배출되는 수분의 유동을 X축 방향으로 안내한다. 채널부(430)는 가스확산부(300)와 마주보는 면이 개구되어 있도록 형성된다. 이에 따라 채널부(430)는 내부를 유동하는 반응가스를 가스확산부(300)로 공급할 수 있다. 채널부(430)는 복수개로 구비될 수 있다. 복수개의 채널부(430)는 도 4를 기준으로 Y축 방향을 따라 소정 간격 이격되게 배치된다. 복수개의 채널부(430)의 개수 및 이격되는 간격은 분리판부(400)의 크기 등에 따라 다양하게 설계 변경이 가능하다.
랜드부(440)는 분리판부(400)의 중앙 영역 즉, 유입부(410)와 배출부(420) 사이에 구비되고, 채널부(430)와 번갈아 배치된다. 랜드부(440)는 가스확산부(300)를 채널부(430)와 이격시킴과 동시에 복수개의 채널부(430)를 상호 구획하는 격벽으로서의 기능을 수행한다. 랜드부(440)는 복수개로 구비되어 이웃하는 한 쌍의 채널부(430)의 사이에 각각 배치된다. 즉, 복수개의 랜드부(440)는 복수개의 채널부(430)와 도 4를 기준으로 Y축 방향을 따라 교대로 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 랜드부(440)는 접촉성능향상부(441), 공급성능향상부(422)를 포함한다.
접촉성능향상부(441)는 랜드부(440)의 외관 일부를 형성하고, 막전극 접합체(100)와 가스확산부(300)의 접촉 성능을 향상시킨다. 보다 구체적으로, 상술한 바와 같이 서브가스켓(200)과 막전극 접합체(100)의 두께 차이로 인해, 막전극 접합체(100)의 반응영역 즉, 연통부(210)에서 가스확산부(300)가 막전극 접합체(100)와 완전히 밀착되지 못하는 현상이 발생된다. 가스확산부(300)와 막전극 접합체(100)가 이종 소재로 구비됨으로 인해, 가스확산부(300)와 막전극 접합체(100)의 미접촉은 반응영역의 계면 저항을 증가시키고, 연료전지의 발전 성능이 저하를 유발한다. 이에 따라 접촉성능향상부(441)는 반응영역에서 가스확산부(300)가 막전극 접합체(100)에 밀착되도록 가스확산부(300)를 막전극 접합체(100) 측으로 가압함으로써 반응영역에서의 계면 저항을 감소시키고, 연료전지의 발전 성능을 향상시키는 기능을 수행할 수 있도록 구비된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉성능향상부(441)는 분리판부(400)가 가스확산부(300)와 마주보는 면으로부터 가스확산부(300)를 향해 돌출되도록 형성될 수 있다. 접촉성능향상부(441)는 길이 방향이 X축 방향과 나란한 방향으로 연장된다. 접촉성능향상부(441)는 가스확산부(300)와 마주보는 면과 반대측의 면이 개구되어 있도록 형성된다. 이에 따라 접촉성능향상부(441)는 내부에 후술하는 냉각채널부(500)를 형성할 수 있다. 접촉성능향상부(441)는 상단부가 연통부(210)의 내부로 돌출되어 X축 방향 및 Y축 방향으로의 양단면이 서브가스켓(200)의 내측면과 마주보는 위치에 배치된다. 접촉성능향상부(441)는 각각의 랜드부(440)에 모두 구비될 수 있고, 복수개의 랜드부(440) 중 일부에만 구비되는 것도 가능하다.
접촉성능향상부(441)는 랜드부(440)의 전체 구간 중 막전극 접합체(100)의 반응영역과 마주보는 구간 내에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 접촉성능향상부(441)의 X축 방향으로의 길이는 연통부(210)의 X축 방향으로의 길이에 대응되거나 연통부(210)의 X축 방향으로의 길이보다 작게 형성될 수 있다. 또한, Y축 방향으로 최외곽에 배치된 한 쌍의 접촉성능향상부(441)의 외측면 사이의 거리는 연통부(210)의 Y축 방향으로의 길이에 대응되거나 연통부(210)의 Y축 방향으로의 길이보다 작게 형성될 수 있다. 이에 따라 접촉성능향상부(441)는 막전극 접합체(100)의 반응영역 외측에 배치되어 서브가스켓(200)에 직접 접촉되는 가스확산부(300)의 테두리부에 과도한 가압력을 인가하여 가스확산부(300)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
공급성능향상부(422)는 랜드부(440)에 구비되고, 채널부(430)로 공급되거나 채널부(430)로부터 배출되는 반응가스의 압력 강하를 방지한다. 보다 구체적으로, 공급성능향상부(422)는 반응영역의 외측에서 가스확산부(300)를 지지함과 동시에 반응가스가 유입부(410)를 통해 유입되거나, 배출부(420)로 배출되는 채널부(430)의 양단부에서 랜드부(440)가 가스확산부(300)에 가하는 가압력의 크기를 완화시킴으로써 채널부(430)를 유동하는 반응가스의 압력이 강하되는 것을 방지한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공급성능향상부(422)는 접촉성능향상부(441)의 양측에 배치된다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 공급성능향상부(422)는 접촉성능향상부(441)의 길이 방향으로의 양단부로부터 X축 방향과 나란한 방향으로 연장된다. 공급성능향상부(422)의 상단면은 막전극 접합체(100)의 반응영역 외측에 배치된 가스확산부(300)의 테두리부와 접촉된다. 공급성능향상부(422)의 높이는 접촉성능향상부(441)의 높이보다 낮게 형성된다. 일 예로, 접촉성능향상부(441)가 일부의 랜드부(440)에만 구비되는 경우, 공급성능향상부(422)의 높이는 접촉성능향상부(441)가 구비되지 않은 랜드부(440)의 높이에 대응되는 높이로 형성될 수 있다. 이에 따라 공급성능향상부(422)는 반응영역의 외측에서 랜드부(440)의 과도한 가압력으로 인해 가스확산부(300)가 채널부(430)로 밀려 들어가는 현상을 방지하고, 채널부(430)를 유동하는 반응가스의 압력이 강하되는 것을 방지할 수 있다.
냉각채널부(500)는 상호 접촉된 한 쌍의 분리판부(400)의 사이에 구비된다. 냉각채널부(500)는 내부로 냉각수가 유입되고, 냉각수와 분리판부(400)의 열교환 작용을 통해 분리판부(400)를 냉각시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각채널부(500)는 한 쌍의 분리판부(400)의 서로 대향하는 면이 상호 접촉됨에 따라 한 쌍의 랜드부(440)의 사이에 형성되는 관 형태의 빈 공간으로 예시될 수 있다. 냉각채널부(500)는 길이 방향이 X축 방향과 나란한 방향으로 연장된다. 냉각채널부(500)는 길이 방향 양측이 각각 유입부(410) 및 배출부(420)와 연통된다. 냉각채널부(500)는 유입부(410)를 통해 내부로 냉각수를 유입받고, 길이 방향을 따라 냉각수의 유동을 안내하며, 배출부(420)를 통해 냉각수를 외부로 배출한다. 냉각채널부(500)는 복수개로 구비되어 Y축 방향을 따라 소정 간격 이격되게 배치된다. 복수개의 냉각채널부(500)의 개수 및 간격은 복수개의 랜드부(440)의 개수 및 간격에 대응되게 형성될 수 있다.
유동집중부(600)는 분리판부(400)에 구비되고, 냉각채널부(500)로 유입된 냉각수의 유동을 유효냉각영역으로 집중시킨다. 여기서, 유효냉각영역은 냉각채널부(500)의 전체 영역 중 막전극 접합체(100)의 반응영역과 마주보는 영역을 의미하며, 유효냉각영역의 면적은 연통부(210)의 면적과 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 유동집중부(600)는 냉각채널부(500)로 유입된 냉각수의 유동에 간섭 가능하게 구비되어 냉각수가 유효냉각영역의 외측으로 유출되는 것을 차단하는 구성으로서 기능한다. 이에 따라 유동집중부(600)는 막전극 접합체(100)의 반응영역에서의 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동집중부와 처짐방지부의 구성을 개략적으로 나타내는 확대사시도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동집중부와 처짐방지부의 설치 상태를 개략적으로 나타내는 단면사시도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동집중부와 처짐방지부의 설치 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유동집중부(600)는 분리판부(400)로부터 냉각채널부(500) 즉, 가스확산부(300)와 멀어지는 방향을 향해 볼록하게 돌출된다. 유동집중부(600)의 바닥면은 채널부(430)의 바닥면과 동일 평면상에 위치할 수 있다. 유동집중부(600)는 한 쌍으로 구비되어 냉각채널부(500)의 Y축 방향 양측에 각각 형성된다. 이 경우, 유동집중부(600)는 유효냉각영역의 외측에 배치되고, 서브가스켓(200)에 직접 접촉된 가스확산부(300)의 테두리부와 마주보게 배치된다.
유동집중부(600)는 길이 방향이 냉각채널부(500)와 나란하게 배치된다. 이에 따라 유동집중부(600)는 냉각수의 유동 방향 전체에 걸쳐 냉각수가 유효냉각영역의 외측으로 유출되는 것을 차단할 수 있다.
어느 하나의 분리판부(400)에 구비되는 유동집중부(600)는 나머지 하나의 분리판부(400)에 구비되는 유동집중부(600)와 상호 접촉된다. 이에 따라 유동집중부(600)는 유효냉각영역의 Y축 방향으로의 가장자리 영역에서 냉각수가 유효냉각영역의 외측으로 유출되는 것을 차단하는 격벽의 역할을 수행할 수 있다.
처짐방지부(700)는 유동집중부(600)에 구비되고, 가스확산부(300)를 지지한다. 보다 구체적으로, 처짐방지부(700)는 유동집중부(600)와 다른 방향으로 돌출되어 유효냉각영역 외측에서 유동집중부(600)와 마주보게 배치되는 가스확산부(300)의 테두리부를 지지한다. 이에 따라 처짐방지부(700)는 가스확산부(300)로부터 멀어지는 방향으로 돌출되는 유동집중부(600)로 인한 가스확산부(300)의 처짐 현상 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 처짐방지부(700)는 유동집중부(600)로부터 가스확산부를 향해 볼록하게 돌출된다. 즉, 유동집중부(600)와 처짐방지부(700)는 분리판부(400)를 기준으로 서로 반대 방향으로 돌출 형성된다. 처짐방지부(700)의 단면 형상은 도 7에 도시된 타원형의 형상 이외에도 원형, 다각형 등 다양한 형상으로 설계 변경이 가능하다.
처짐방지부(700)의 상단면은 유효냉각영역 외측에 배치되어 서브가스켓(200)에 직접 맞닿은 가스확산부(300)의 테두리부와 접촉된다. 이 경우, 처짐방지부(700)의 높이는 랜드부(440), 보다 구체적으로 접촉성능향상부(441)가 구비되지 않은 랜드부(440) 또는 공급성능향상부(442)의 높이와 동일하게 형성될 수 있다.
처짐방지부(700)는 복수개로 구비되어 유동집중부(600)의 길이 방향을 따라 상호 이격되게 배치될 수 있다. 이에 따라 처짐방지부(700)는 유동집중부(600)의 길이 방향 전체에 걸쳐 가스확산부(300)를 안정적으로 지지할 수 있다.
유동집중부(600)와 처짐방지부(700)는 프레스 금형에 의해 분리판부(400)와 함께 성형될 수 있다. 이 경우, 유동집중부(600)와 처짐방지부(700)는 분리판부(400)의 프레스 과정에서 서로 반대 방향으로 가압됨에 따라 일체로 제작될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1 : 연료전지 장치 100 : 막전극 접합체
200 : 서브가스켓 210 : 연통부
300 : 가스확산부 400 : 분리판부
410 : 유입부 420 : 배출부
430 : 채널부 440 : 랜드부
441 : 접촉성능향상부 442 : 공급성능향상부
500 : 냉각채널부 600 : 유동집중부
700 : 처짐방지부

Claims (13)

  1. 막전극 접합체;
    상기 막전극 접합체와 마주보게 배치되는 가스확산부;
    상기 막전극 접합체를 지지하는 서브가스켓;
    상기 서브가스켓을 관통하여 형성되고, 상기 막전극 접합체와 상기 가스확산부를 연통시키는 연통부;
    상기 가스확산부로 반응가스를 공급하는 채널부와, 상기 채널부와 교대로 배치되는 랜드부를 구비하는 한 쌍의 분리판부;
    한 쌍의 상기 분리판부의 사이에 구비되고, 냉각수가 유입되는 냉각채널부; 및
    상기 분리판부에 구비되고, 상기 냉각채널부로 유입된 상기 냉각수의 유동을 유효냉각영역으로 집중시키는 유동집중부; 및
    상기 유동집중부에 구비되고, 상기 가스확산부를 지지하는 처짐방지부;를 포함하고,
    상기 유동집중부는 상기 분리판부로부터 상기 냉각채널부를 향해 돌출되고,
    상기 유동집중부는 상기 냉각채널부와 나란하게 배치되고,
    상기 유동집중부의 바닥면은 상기 채널부의 바닥면과 동일한 평면상에 위치하고,
    어느 하나의 상기 분리판부에 구비되는 상기 유동집중부는 나머지 하나의 상기 분리판부에 구비되는 상기 유동집중부와 상호 접촉되고,
    상기 서브가스켓의 두께는 상기 막전극 접합체의 두께보다 크고,
    상기 랜드부는,
    상기 분리판부로부터 상기 연통부의 내부로 돌출되어 상기 가스확산부를 상기 막전극 접합체 측으로 가압하는 접촉성능향상부; 및
    상기 접촉성능향상부로부터 연장되고, 높이가 상기 접촉성능향상부의 높이보다 낮게 형성되는 공급성능향상부;를 포함하고,
    상기 처짐방지부는 상기 유동집중부로부터 상기 가스확산부를 향해 돌출되어 상기 가스확산부와 접촉되고,
    상기 처짐방지부는 복수개로 구비되어 상기 유동집중부의 길이 방향을 따라 상호 이격되게 배치되고,
    상기 처짐방지부의 높이는 상기 공급성능향상부의 높이와 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유동집중부는 상기 냉각채널부로 유입된 냉각수의 유동에 간섭되어 상기 냉각수가 상기 유효냉각영역의 외측으로 유출되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유동집중부는 상기 냉각채널부의 양측에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 가스확산부의 면적은 상기 연통부의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 유효냉각영역의 면적은 상기 연통부의 면적과 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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