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KR101433933B1 - separator module and fuel cell stack comprising it - Google Patents

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KR101433933B1
KR101433933B1 KR1020120157639A KR20120157639A KR101433933B1 KR 101433933 B1 KR101433933 B1 KR 101433933B1 KR 1020120157639 A KR1020120157639 A KR 1020120157639A KR 20120157639 A KR20120157639 A KR 20120157639A KR 101433933 B1 KR101433933 B1 KR 101433933B1
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 세퍼레이터 모듈은, 세퍼레이터 지지체; 상기 세퍼레이터 지지체의 일면에 연료 유로를 구비한 형태로 형성된 연료 채널 구조체; 상기 세퍼레이터 지지체의 타면에 산화제 유로를 구비한 형태로 형성된 산화제 채널 구조체; 상기 연료 유로로 연료 유체가 유입되는 연료 입구 매니폴드; 상기 연료 유로로부터 연료 유체가 유출되는 연료 출구 매니폴드; 상기 산화제 유로로 산화제가 유입되는 산화제 입구 매니폴드; 상기 산화제 유로로부터 산화제가 유출되는 산화제 출구 매니폴드를 포함하되, 상기 연료 입구 매니폴드 또는 상기 산화제 입구 매니폴드 또는 상기 연료 입구 매니폴드와 산화제 입구 매니폴드는, 유로가 연결되는 면이 중심이 높고 주변으로 갈수록 낮아지는 경사지게 돌출된 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.A separator module according to an aspect of the present invention includes: a separator support; A fuel channel structure formed on one surface of the separator support body and having a fuel flow path; An oxidant channel structure formed on the other surface of the separator support body with an oxidant channel; A fuel inlet manifold through which the fuel fluid flows into the fuel flow path; A fuel outlet manifold through which the fuel fluid flows out from the fuel flow path; An oxidant inlet manifold through which the oxidant flows into the oxidant passage; Wherein the fuel inlet manifold or the oxidant inlet manifold or the fuel inlet manifold and the oxidant inlet manifold are arranged such that the surface to which the flow path is connected has a high center, And is formed in an obliquely protruding shape that becomes lower as it goes down.

Description

세퍼레이터 모듈 및 이를 포함한 연료 전지 스택{separator module and fuel cell stack comprising it}Separator module and fuel cell stack including the separator module

본 발명은 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택용 세퍼레이터 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응기체 입구 매니폴드의 구조를 개선한 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택용 세퍼레이터 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack and a separator module for a fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack and a separator module for a fuel cell stack that improve the structure of a reactant gas inlet manifold.

연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.A fuel cell is a device that produces electricity electrochemically using fuel (hydrogen or reformed gas) and an oxidant (oxygen or air). The fuel and oxidizer continuously supplied from the outside are converted into electrical energy by electrochemical reaction .

연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소, 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH), 또는 탄화수소계 연료를 개질하여 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.As the oxidizer of the fuel cell, air containing a large amount of pure oxygen or oxygen is used. As the fuel, pure hydrogen, hydrocarbon-based fuel (LNG, LPG, CH3OH), or hydrocarbon- Use gas.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell), 및 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.These fuel cells are mainly classified into a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), a direct oxidation fuel cell, and a direct methanol fuel cell (DMFC). .

고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체를 포함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.A polymer electrolyte fuel cell includes a fuel cell body called a stack, and generates electric energy through electrochemical reaction between hydrogen gas supplied from a reformer and air supplied by the operation of an air pump or a fan . Here, the reformer functions as a fuel processor that reforms the fuel to generate hydrogen gas from the fuel, and supplies the hydrogen gas to the stack.

직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 직접 메탄올형 연료 전지는 직접 산화형 연료 전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 전지를 말한다.Unlike a polymer electrolyte fuel cell, unlike a polymer electrolyte fuel cell, a direct oxidation type fuel cell receives an alcohol directly as a fuel without using hydrogen gas, and generates electricity by electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel and air supplied separately. As shown in Fig. A direct methanol type fuel cell refers to a cell that uses methanol as a fuel among direct oxidation type fuel cells.

이하에서는 설명의 편의상 고분자 전해질형 연료 전지를 위주로 설명한다. 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기와 같은 소형기기용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점이 있다.Hereinafter, the polymer electrolyte fuel cell will be mainly described for convenience of explanation. The polymer electrolyte fuel cell has excellent output characteristics, low operating temperature, fast startup and response characteristics, and is suitable for use in a mobile power source such as an automobile, as well as a power source for dispersion and electronic devices And power supply for the same small device.

고분자 전해질형 연료 전지에 사용되는 막-전극 어셈블리는 수소이온 전도성 고분자 전해질막의 양면에 백금족 금속 등의 금속 촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층과 이 촉매층의 바깥면에 형성되며 통기성과 전자 도전성을 갖는 가스 확산층으로 구성되며, 가스 확산층은 일반적으로 탄소 종이 또는 탄소 부직포 등으로 이루어진다.A membrane-electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell comprises a catalyst layer mainly composed of a carbon powder carrying a metal catalyst such as a platinum group metal on both sides of a hydrogen-ion conductive polymer electrolyte membrane, and a membrane layer formed on the outer surface of the catalyst layer, And the gas diffusion layer is generally made of carbon paper or carbon nonwoven fabric.

막-전극 어셈블리의 외측에는 막-전극 어셈블리를 기계적으로 지지함과 동시에 인접하는 막-전극 어셈블리를 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성을 갖는 세퍼레이터가 설치되어 단위 셀을 형성한다. 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리와 접촉하는 부분에 전극면에 반응기체를 공급하고 잉여가스와 반응 생성물을 운반하기 위한 유로를 형성하고 있다. 유로는 세퍼레이터와 별도로 설치될 수도 있지만 세퍼레이터의 표면에 홈 형태로 형성되는 것이 일반적이다.The membrane electrode assembly is mechanically supported on the outer side of the membrane electrode assembly, and a separator having electrical conductivity for electrically connecting adjacent membrane electrode assemblies to each other is provided to form a unit cell. The separator supplies reactive gas to the electrode surface at a portion in contact with the membrane-electrode assembly, and forms a flow path for transporting surplus gas and reaction products. The flow path may be provided separately from the separator, but is generally formed in a groove on the surface of the separator.

복수 개의 단위 셀은 적층 배열되며 단위 셀의 최외측에는 전류를 추출하기 위한 집전판과 그 외곽에 외부와의 절연을 위한 절연판이 차례로 적층되고, 체결판 및 체결수단을 통해서 고정된다.A plurality of unit cells are stacked, and a collector plate for extracting a current and an insulation plate for insulation from the outside are sequentially stacked on the outermost side of the unit cell, and are fixed through a fastening plate and fastening means.

연료 전지에 공급된 연료와 산화제는 막-전극 어셈블리에서 전기화학 반응을 통해 물로 변환되며 이 과정에서 전기와 열을 발생시킨다. 미반응 연료와 산화제는 연료 전지 스택 외부로 배출되는데, 전기화학 반응에 사용된 반응기체량과 공급 가스량의 비율을 가스 이용률이라고 한다.The fuel and the oxidant supplied to the fuel cell are converted into water through the electrochemical reaction in the membrane-electrode assembly and generate electricity and heat in this process. Unreacted fuel and oxidant are discharged to the outside of the fuel cell stack. The ratio of the reactor volume and the supply gas amount used in the electrochemical reaction is called the gas utilization rate.

전기화학 반응에서 발생한 열을 배출하기 위하여 하나 또는 수개의 단위 셀 마다 냉각 매체가 유동하는 냉각부가 설치된다. 냉각부는 일 측에 연료가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 연료용 세퍼레이터와, 일 측에 산화제가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 산화제용 세퍼레이터를 서로 부착하는 방법이 많이 사용된다.A cooling unit in which the cooling medium flows for one or several unit cells is installed to discharge heat generated in the electrochemical reaction. The cooling unit includes a fuel separator having a fuel gas flow path on one side and a cooling flow path for cooling medium on the opposite side, an oxidant gas flow path having an oxidant gas flow path on one side and a cooling flow path for cooling medium on the opposite side, A method of attaching separators for use is often used.

연료 전지 외부에서 세퍼레이터의 유로로 반응기체 및 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각매체를 배출하기 위해서는 세퍼레이터에 각각의 연료가스, 산화제가스 및 냉각매체 별로 최소 2개 이상의 관통 구멍을 형성한다. 그리고 유로의 입출구를 각각 이들의 관통구멍까지 연결시켜, 한쪽의 관통구멍으로부터 반응기체 혹은 냉각매체를 각각의 유로로 공급하고 다른 쪽의 관통구멍으로 잉여가스 및 반응생성물 혹은 냉각매체를 배출한다. 반응기체 및 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각매체를 배출하는 관통구멍을 통상 매니폴드(Manifold) 구멍이라고 한다.In order to supply the reaction gas and the cooling medium from the outside of the fuel cell to the flow path of the separator and to discharge the excess gas, the reaction product and the cooling medium, at least two through holes are formed in the separator for each fuel gas, oxidant gas and cooling medium . The inlet and outlet of the flow path are connected to the respective through holes so that the reaction gas or the cooling medium is supplied to each flow path from one through hole and the excess gas and the reaction product or the cooling medium are discharged through the other through hole. The through holes for supplying the reaction gas and the cooling medium and for discharging the excess gas, the reaction product and the cooling medium are generally referred to as manifold holes.

세퍼레이터에 형성된 매니폴드 구멍은 단위 셀을 여러 장 적층하여 스택을 구성함에 있어서 적층 방향으로 매니폴드를 형성하게 되는데, 이러한 반응기체 및 냉각매체 공급방식을 내부 매니폴드 방식이라고 한다.In the manifold hole formed in the separator, a plurality of unit cells are stacked to form a stack, and a manifold is formed in a stacking direction. Such a reaction gas and a cooling medium supply method are referred to as an internal manifold method.

내부 매니폴드 방식 이외에, 세퍼레이터에 매니폴드 구멍을 형성하지 않고 세퍼레이터 외측에 가스 분배를 위한 배관이나 구조물을 형성하여 각각의 단위 셀로 반응기체 혹은 냉각매체를 공급하는 방식을 외부 매니폴드 방식이라고 한다.In addition to the internal manifold method, a system in which piping or a structure for gas distribution is formed outside the separator without forming a manifold hole in the separator, and a reaction gas or a cooling medium is supplied to each unit cell is referred to as an external manifold system.

특히, 고분자 전해질 연료 전지는 전해질막에서 수소 이온의 전도성을 향상시키기 위하여 반응기체(연료 및 산화제)를 공급할 때 일정 수준 이상으로 가습해서 공급한다. 한편, 캐소드 측에서는 전기화학 반응에 의해서 물이 생성되기 때문에, 반응기체의 노점온도가 연료 전지 작동 온도보다 높으면 가스 유로나 전극 내부에서 수증기 응축에 의한 물방울이 발생한다.In particular, a polymer electrolyte fuel cell is humidified to a certain level or higher when supplying reactive gases (fuel and oxidant) in order to improve the conductivity of hydrogen ions in the electrolyte membrane. On the other hand, since water is generated by the electrochemical reaction on the cathode side, when the dew point temperature of the reaction gas is higher than the fuel cell operating temperature, water droplets are generated due to condensation of water vapor in the gas flow path and the electrode.

이러한 것을 플러딩(flooding) 현상이라고 하는데, 플러딩 현상은 반응기체의 불균일한 유동 및 전극에서 반응 가스의 결핍을 유발하여 연료 전지의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 플러딩 현상은 캐소드 전극뿐만 아니라 전해질 막을 통과해 전달된 물에 의해 애노드 전극에서도 발생할 수 있다. 특히 애노드 측에서 이러한 응축수에 의한 가스 유로 막힘 현상이 발생한 경우에는 연료가스의 결핍을 초래하고, 이것은 전극의 비가역적 손상을 초래하게 된다.This phenomenon is referred to as a flooding phenomenon. The flooding phenomenon causes a non-uniform flow of the reactant gas and a deficiency of the reactant gas in the electrode, thereby deteriorating the performance of the fuel cell. The flooding phenomenon may occur not only at the cathode electrode but also at the anode electrode by the water passed through the electrolyte membrane. Particularly, when the clogging of the gas flow path by the condensed water occurs on the anode side, it causes the deficiency of the fuel gas, which leads to the irreversible damage of the electrode.

이것은 연료가스가 부족한 상태로 부하전류가 강제로 가해지면 연료가 없는 상태에서 전자와 프로톤을 만들기 위해서 애노드의 촉매를 담지하고 있는 카본이 물과 반응하기 때문이다. 이러한 반응의 결과로 애노드 측 촉매의 손실이 발생하게 되고 유효 전극 면적의 감소를 초래하여 연료 전지 성능을 저하시킨다.
This is because, when the load current is forcibly applied in the state where the fuel gas is insufficient, the carbon bearing the anode catalyst reacts with water in order to make electrons and protons without fuel. As a result of this reaction, the loss of the anode-side catalyst is caused and the effective electrode area is reduced, thereby deteriorating the performance of the fuel cell.

가스 유로로 들어간 응축수는 유로를 가로막아 유로 내부로의 반응기체 흐름을 방해하고, 이에 따라 연료 전지는 가스 부족 현상을 겪게 된다. 또한 응축수가 존재하는 부근의 전극에서는 반응 생성물인 수증기의 응축이 더욱 가속화되어 플러딩 현상이 심화된다.The condensed water entering the gas flow path obstructs the flow path and interferes with the flow of the reaction gas into the flow path, so that the fuel cell experiences a gas shortage phenomenon. In addition, condensation of water vapor, which is a reaction product, is further accelerated in a nearby electrode where condensed water is present, and flooding phenomenon is intensified.

통상 단위 셀로 유입된 물에 의한 가스유로의 막힘 및 플러딩 현상을 해소하기 위하여, 공급가스의 세퍼레이터 유로부분에서의 유속을 빠르게 하여 응축된 물을 배출시키는 방법이 사용되었다.A method has been used in which the flow rate of the supplied gas in the separator flow path portion is increased to discharge the condensed water in order to solve the clogging and flooding phenomenon of the gas flow path caused by the water introduced into the unit cell.

그러나, 공급가스 유속을 증가시키기 위해서는 높은 압력으로 가스를 공급하는 것이 필요하며, 이를 위해서 가스공급 블로어 또는 압축기 등의 동력을 극단적으로 증가시켜야 하기 때문에, 시스템 효율이 저하되는 문제가 발생한다.However, in order to increase the flow rate of the feed gas, it is necessary to supply the gas at a high pressure. To this end, the power of the gas supply blower or the compressor must be increased extremely.

또한, 응축수는 모든 단위 셀로 균등하게 분배되어 유입되는 것이 아니라 이상(two-phase) 유동의 특성상 입구 측에 인접한 단위셀에 편중되어 들어가는 경향이 있으며 이러한 상황에서는 반응기체의 유속을 증가시켜도 유로를 막고 있는 물을 효율적으로 배출시키지 못하는 문제가 있다.Further, the condensed water is not uniformly distributed into all the unit cells but flows into the unit cells adjacent to the inlet side due to the nature of two-phase flow. In such a situation, the flow rate of the reactive gas is increased, There is a problem in that the water can not be efficiently discharged.

본 발명은 유로 내로 응축수가 유입되는 것을 억제할 수 있는 세퍼레이터 모듈 및/또는 연료 전지 스택을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a separator module and / or a fuel cell stack capable of suppressing the inflow of condensed water into the flow path.

또는, 본 발명은 시스템 효율 저하를 방지할 수 있는 세퍼레이터 모듈 및/또는 연료 전지 스택을 제공하고자 한다.Alternatively, the present invention intends to provide a separator module and / or a fuel cell stack capable of preventing deterioration of system efficiency.

본 발명의 일 측면에 따른 세퍼레이터 모듈은, 세퍼레이터 지지체; 상기 세퍼레이터 지지체의 일면에 연료 유로를 구비한 형태로 형성된 연료 채널 구조체; 상기 세퍼레이터 지지체의 타면에 산화제 유로를 구비한 형태로 형성된 산화제 채널 구조체; 상기 연료 유로로 연료 유체가 유입되는 연료 입구 매니폴드; 상기 연료 유로로부터 연료 유체가 유출되는 연료 출구 매니폴드; 상기 산화제 유로로 산화제가 유입되는 산화제 입구 매니폴드; 상기 산화제 유로로부터 산화제가 유출되는 산화제 출구 매니폴드를 포함하되,A separator module according to an aspect of the present invention includes: a separator support; A fuel channel structure formed on one surface of the separator support body and having a fuel flow path; An oxidant channel structure formed on the other surface of the separator support body with an oxidant channel; A fuel inlet manifold through which the fuel fluid flows into the fuel flow path; A fuel outlet manifold through which the fuel fluid flows out from the fuel flow path; An oxidant inlet manifold through which the oxidant flows into the oxidant passage; And an oxidant outlet manifold through which the oxidant flows out from the oxidant passage,

상기 연료 입구 매니폴드 또는 상기 산화제 입구 매니폴드 또는 상기 연료 입구 매니폴드와 산화제 입구 매니폴드는, 유로가 연결되는 면이 중심이 높고 주변으로 갈수록 낮아지는 경사지게 돌출된 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.The fuel inlet manifold or the oxidant inlet manifold or the fuel inlet manifold and the oxidant inlet manifold are formed in an obliquely protruding shape in which the surface to which the flow path is connected is centered and lowered toward the periphery.

여기서, 상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면에 연결된 유로 유입구는, 그 입구면과 내벽이, 수직이 아닌 기울어진 각도를 유지할 수 있다.Here, the inlet port and the inner wall of the channel inlet connected to the obliquely protruding surface can maintain a tilted angle, not perpendicular.

여기서, 상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면에 연결된 유로 유입구는, 내부로 들어갈수록 단면이 넓어지는 형태를 가질 수 있다. 또는, 상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면에 연결된 유로 유입구는, 내부로 들어갈수록 단면이 좁어지는 형태를 가질 수 있다.Here, the channel inlet connected to the surface formed in an inclined protruding shape may have a shape in which the cross section widens as it enters the inside. Alternatively, the flow path inlet connected to the surface formed in the inclined protruding shape may have a shape in which the cross section becomes narrower as it enters the inside.

여기서, 상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면에는, 상기 연료 유로 또는 산화제 유로와 연결되는 다수개의 유로 유입구들이 배치되며, 다수개의 유로 유입구들은, 동일한 방향으로 기울어질 수 있다.Here, a plurality of flow inlets connected to the fuel flow path or the oxidant flow path may be disposed on the sloped surface, and the plurality of flow inlets may be inclined in the same direction.

여기서, 상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면에는, 상기 연료 유로 또는 산화제 유로와 연결되는 다수개의 유로 유입구들이 배치되며, 다수개의 유로 유입구들은, 가운데를 중심으로 나뉘어서 서로 대칭적인 방향으로 기울어질 수 있다.Here, a plurality of flow inlets connected to the fuel flow path or the oxidant flow path are disposed on the sloped surface, and the plurality of flow path inlets may be inclined in symmetrical directions with respect to the center.

여기서, 상기 세퍼레이터 지지체에는, 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로가 형성될 수 있다.Here, in the separator support body, a cooling passage through which the cooling fluid flows can be formed.

본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리에 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터 모듈을 포함하는 복수 개의 전기 생성부들과, 상기 전기 생성부들의 외각에 설치된 엔드 플레이트를 포함하며,According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell stack including a plurality of electricity generating units including a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator module closely disposed on both sides of the membrane- And an end plate provided on an outer periphery of the electricity generating units,

상기 전기 생성부에는 반응기체가 유입되는 반응기체 입구 매니폴드와 상기 반응기체가 배출되는 반응기체 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 반응기체 입구 매니폴드와 상기 반응기체 출구 매니폴드는 상기 세퍼레이터 모듈에 형성된 반응기체 유로와 연통되되,Wherein the reactant gas inlet manifold and the reactive gas outlet manifold are formed in the separator module, wherein the reactant gas inlet manifold and the reactive gas outlet manifold are formed in the electricity generating portion, And is communicated with the reaction gas flow path,

상기 반응기체 입구 매니폴드는, 유동가이드에 의해 균등하게 분배된 유량을 유입받으며, 상기 반응기체 입구 매니폴드의 단면은, 상기 반응기체 유로가 연결되는 면이 중심이 높고 주변으로 갈수록 낮아지는 경사지게 돌출되고 그 맞은편 면은 타원형인 초승달 또는 팩맨 형태를 가질 수 있다.The reactant gas inlet manifold has a flow rate uniformly distributed by a flow guide, and a cross section of the reactant gas inlet manifold is inclined such that a surface to which the reactant gas flow passage is connected is inclined at a high center, And the opposite side may have the shape of a crescent moon or a pacman having an oval shape.

여기서, 상기 반응기체는 연료기체 또는 산화제일 수 있다.Here, the reactive gas may be a fuel gas or an oxidizing agent.

여기서, 상기 반응기체 입구 매니폴드는 상기 반응기체 출구 매니폴드에 보다 중력 방향을 기준으로 상부에 위치할 수 있다.Here, the reactant gas inlet manifold may be located at the upper portion of the reactant gas outlet manifold with respect to the direction of gravity.

상술한 구성에 따른 본 발명의 세퍼레이터 모듈 및/또는 연료 전지 스택을 실시하면, 유로 내로 응축수가 유입되는 것을 억제할 수 있는 이점이 있다.When the separator module and / or the fuel cell stack of the present invention according to the above-described configuration is implemented, there is an advantage that the condensed water can be prevented from flowing into the flow path.

또는, 본 발명은 시스템 효율 저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.Alternatively, the present invention has an advantage that it is possible to prevent deterioration of system efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈을 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 세퍼레이터 모듈들 및 막-전극 어셈블리들이 교번하여 적층된 연료 전지 스택 구조에서, 누적되어 형성된 매니폴드 덕트 구조를 도시한 사시도.
도 3a는 도 1의 세퍼레이터 모듈의 연료 입구 매니폴드와 연료 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도.
도 3b는 도 1의 세퍼레이터 모듈의 산화제 입구 매니폴드와 산화제 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도.
도 3c는 다른 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈의 연료 입구 매니폴드와 연료 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도.
도 3d는 상기 다른 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈의 산화제 입구 매니폴드와 산화제 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도.
도 4a는 또 다른 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈의 연료 입구 매니폴드와 연료 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도.
도 4b는 상기 또 다른 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈의 산화제 입구 매니폴드와 산화제 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도.
도 5는 종래 기술에 따른 매니폴드에서 유로 유입구에 플러딩 현상에 의해 생성된 물방울(droplet)을 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 매니폴드에서 유로 유입구에 플러딩 현상에 의해 생성된 물방울(droplet)을 도시한 단면도.
도 7은 종래 기술에 따른 매니폴드의 유량 속도에 대한 시뮬레이션 결과인 분포도.
도 8은 본 발명의 사상에 따른 매니폴드의 유량 속도에 대한 시뮬레이션 결과인 분포도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈을 구비하는 연료 전지 스택을 도시한 분해 사시도.
1 is a cross-sectional view of a separator module according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a perspective view showing a stacked manifold duct structure in a fuel cell stack structure in which the separator modules and the membrane-electrode assemblies of FIG. 1 are alternately stacked. FIG.
FIG. 3A is a sectional view showing a connection structure of a fuel inlet manifold and a fuel flow path inlet of the separator module of FIG. 1; FIG.
FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating a connection structure of an oxidant inlet port and an oxidant inlet port of the separator module of FIG. 1; FIG.
3C is a sectional view showing a connection structure of a fuel inlet manifold and a fuel flow path inlet of a separator module according to another embodiment.
FIG. 3D is a cross-sectional view showing a connection structure between an oxidant inlet port and an oxidant inlet port of a separator module according to another embodiment; FIG.
4A is a cross-sectional view showing a connection structure between a fuel inlet manifold and a fuel flow path inlet of a separator module according to another embodiment;
FIG. 4B is a cross-sectional view illustrating a connection structure between an oxidant inlet port and an oxidant inlet port of a separator module according to another embodiment of the present invention; FIG.
5 is a cross-sectional view showing a droplet generated by a flooding phenomenon in a flow path inlet in a manifold according to the prior art;
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a droplet generated by a flooding phenomenon in a flow path inlet in a manifold according to an embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 7 is a distribution diagram showing a simulation result of a flow velocity of a manifold according to the prior art; FIG.
8 is a distribution diagram that is a simulation result of a flow rate of a manifold according to the present invention.
9 is an exploded perspective view showing a fuel cell stack including a separator module according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈(150)을 도시한다. 상기 세퍼레이터 모듈(150)은 가운데 냉각 채널이 형성되고, 일면에 연료 채널, 타면에 산화제 채널이 형성된 형태로 규정되는데, 도면에서는 가운데 형성된 냉각 채널만을 나타내었고, 그 양면의 연료 채널 및 산화제 채널의 표현은 생략하였다. Figure 1 illustrates a separator module 150 according to one embodiment of the present invention. In the separator module 150, a middle cooling channel is formed, and a fuel channel is formed on one surface and an oxidizer channel is formed on the other surface. In the drawing, only the cooling channels formed at the center are shown, Is omitted.

도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈(150)은, 세퍼레이터 지지체(123); 상기 세퍼레이터 지지체(123)의 일면에 연료 유로를 구비한 형태로 형성된 연료 채널 구조체; 상기 세퍼레이터 지지체(123)의 타면에 산화제 유로를 구비한 형태로 형성된 산화제 채널 구조체; 상기 연료 유로로 연료 유체가 유입되는 연료 입구 매니폴드(143); 상기 연료 유로로부터 연료 유체가 유출되는 연료 출구 매니폴드(148); 상기 산화제 유로로 산화제가 유입되는 산화제 입구 매니폴드(141); 상기 산화제 유로로부터 산화제가 유출되는 산화제 출구 매니폴드(146)를 포함할 수 있다.A separator module 150 according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 includes a separator support body 123; A fuel channel structure formed on one surface of the separator support body 123 and having a fuel flow path; An oxidant channel structure formed on the other surface of the separator support body 123 with an oxidant channel; A fuel inlet manifold 143 into which the fuel fluid flows into the fuel flow path; A fuel outlet manifold 148 through which the fuel fluid flows out of the fuel flow path; An oxidant inlet manifold 141 through which the oxidant flows into the oxidant flow channel; And an oxidant outlet manifold 146 through which the oxidant flows out of the oxidant passage.

여기서, 상기 연료 입구 매니폴드(143) 또는 상기 산화제 입구 매니폴드(141) 또는 상기 연료 입구 매니폴드(143)와 산화제 입구 매니폴드(141)는, 유로가 연결되는 면이 중심이 높고 주변으로 갈수록 낮아지는 경사지게 돌출된 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터 지지체에는, 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로(145)가 형성되었으며, 상기 세퍼레이터 모듈(150)은, 상기 냉각 유로(145)에 대한 냉매 입구 매니폴드(142), 및 냉매 출구 매니폴드(147)를 더 포함할 수 있다.
Here, the fuel inlet manifold 143 or the oxidant inlet manifold 141 or the fuel inlet manifold 143 and the oxidant inlet manifold 141 are arranged such that the center of the fuel inlet manifold 143 or the oxidant inlet manifold 141, It can be formed in an inclined protruding shape. The separator module 150 includes a coolant inlet manifold 142 for the coolant passage 145 and a coolant inlet manifold 142 for the coolant outlet manifold 142 147).

도 2는 도 1의 세퍼레이터 모듈(150)들 및 막-전극 어셈블리들이 교번하여 적층된 연료 전지 스택 구조에서, 적층된 세퍼레이터 모듈(150)들의 연료 입구 매니폴드(143)들과, 적층된 막-전극 어셈블리들의 대응되는 위치의 절개부들이 누적되어 형성된 매니폴드 덕트 구조를 도시한다.Figure 2 shows the fuel inlet manifolds 143 of the stacked separator modules 150 and the stacked membrane-electrode assemblies 140 in the fuel cell stack structure in which the separator modules 150 and membrane-electrode assemblies of Figure 1 are alternately stacked. And the cutouts at corresponding positions of the electrode assemblies are stacked to form a manifold duct structure.

도시한 매니폴드 덕트 구조에서, 세퍼레이터 모듈들의 연료 유체 유로들이 연결되는 면(그림에서 바닥면)이 중심이 높고 주변으로 갈수록 낮아지는 경사지게 돌출된 산(山) 형상을 하고 있으며, 그 맞은편 면(그림에서 천정면)은 타원이나 아치형을 이루고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 바닥면과 천정면을 연결한 단면은, 초승달 또는 팩맨(남코사의 아케이드 게임 캐릭터) 형태를 가진다고 볼 수 있다. In the manifold duct structure shown in the figure, the face (bottom face in the figure) where the fuel fluid flow paths of the separator modules are connected has an inclined protruding mountain shape having a high center and a lower periphery, It can be seen that the ceiling front in the figure is an ellipse or an arch. That is, the cross section connecting the bottom surface and the ceiling surface has a shape of a crescent moon or a pacman (an arcade game character of Namco).

도시한 바와 같이 단면이 초승달 또는 팩맨 형상을 가지는 유동가이드/매니폴드 구조는, 매니폴드 내부 wall effect에 의한 2차 유동 발생으로, 내부 유동 변화를 일으켜서, 매니폴드 내부의 중력에 의한 반응가스의 치우침 현상 제거하고, 유동가이드로 유량 균등 분배를 가능하게 하는 이점이 있다.
As shown in the drawing, the flow guide / manifold structure having a cross section in the form of a crescent moon or a puckman causes a secondary flow caused by a wall effect inside the manifold to cause an internal flow change, There is an advantage that the development can be removed and the flow guide can be evenly distributed by the flow guide.

도 3a는 도 1의 세퍼레이터 모듈(150)의 연료 입구 매니폴드(143)와 연료 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도이고, 도 3b는 도 1의 세퍼레이터 모듈(150)의 산화제 입구 매니폴드(141)와 산화제 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도이다.FIG. 3A is a cross-sectional view showing a connection structure between the fuel inlet manifold 143 and the fuel flow path inlet of the separator module 150 of FIG. 1, and FIG. 3B is a sectional view of the oxidant inlet manifold 141 of the separator module 150 of FIG. ) And the inlet port of the oxidant flow channel.

상기 도면들에서, 도 1의 세퍼레이터 모듈(150)의 연료 입구 매니폴드(143) 및/또는 산화제 입구 매니폴드(141)의 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면(LE, LE1)에 연결된 유로 유입구들은, 그 입구면과 내벽이, 수직이 아닌 기울어진 각도를 유지하는 것을 알 수 있다. 즉, 도 3a의 1 내지 8, 도 3b의 11 내지 20은 모두 90도 보다 작은 각도를 가지며, 바람직하게는 85도 이하의 각도를 가질 수 있다.In the figures, the flow inlets connected to the fuel inlet manifold 143 of the separator module 150 of FIG. 1 and / or the surfaces LE, LE1 formed in the obliquely projected form of the oxidant inlet manifold 141, It can be seen that the inlet surface and the inner wall maintain a tilted angle, not perpendicular. That is, all of FIGS. 1 to 8 of FIGS. 3A and 11 to 20 of FIG. 3B have an angle of less than 90 degrees, and preferably an angle of 85 degrees or less.

또한, 상기 도면들에서, 상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면(LE, LE1)에 연결된 유로 유입구는, 내부로 들어갈수록 단면이 넓어지는 형태를 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 도 3a의 모든 유로 유입구들에 대하여 d1의 폭 보다 d2의 폭이 더 크며, 이는 도 3b의 경우에도 마찬가지이다.Also, in the drawings, it can be seen that the channel inlet connected to the surfaces LE and LE1 formed in the slantingly projected form has a wider sectional shape as it enters the interior. That is, the width of d2 is larger than the width of d1 for all the flow inlets of Fig. 3A, which is the same also in the case of Fig. 3B.

또한, 상기 도면들에서, 상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면(LE, LE1)에는, 상기 연료 유로 또는 산화제 유로와 연결되는 다수개의 유로 유입구들이 배치되되, 다수개의 유로 유입구들은, 동일한 방향으로 기울어진 것을 알 수 있다.
In the drawings, a plurality of channel inlets connected to the fuel channel or the oxidant channel are disposed on the obliquely projected surfaces LE and LE1, and the plurality of channel inlets are inclined in the same direction .

도 3c는 다른 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈(150)의 연료 입구 매니폴드(143)와 연료 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도이고, 도 3d는 상기 세퍼레이터 모듈(150)의 산화제 입구 매니폴드(141)와 산화제 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도이다.3C is a cross-sectional view illustrating a connection structure between the fuel inlet manifold 143 and the fuel flow path inlet of the separator module 150 according to another embodiment. FIG. 3D is a cross-sectional view of the oxidant inlet manifold 141 ) And the inlet port of the oxidant flow channel.

상기 도면들에서도, 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면(LE, LE1)에 연결된 유로 유입구들은, 그 입구면과 내벽이, 수직이 아닌 기울어진 각도를 유지하는 것을 알 수 있다. 즉, 도 3c의 1' 내지 8', 도 3d의 11' 내지 20'은 모두 90도 보다 작은 각도를 가지며, 바람직하게는 85도 이하의 각도를 가질 수 있다.Also in these figures, it can be seen that the flow inlets connected to the surfaces LE and LE formed in an obliquely protruding shape maintain their inclined angles, not perpendicular to the inlet and inner walls. That is, 1 'to 8' in FIG. 3C and 11 'to 20' in FIG. 3D all have angles less than 90 degrees, preferably less than 85 degrees.

또한, 상기 도면들에서, 상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면(LE', LE1')에 연결된 유로 유입구는, 내부로 들어갈수록 단면이 좁아지는 형태를 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 도 3c의 모든 유로 유입구들에 대하여 d1'의 폭 보다 d2' 의 폭이 더 작으며, 이는 도 3d의 경우에도 마찬가지이다.In addition, in the above drawings, it can be seen that the channel inlet connected to the surfaces LE 'and LE1' formed in the slantingly protruding shape has a shape in which the cross section becomes narrower as it enters the inside. That is, the width of d2 'is smaller than the width of d1' for all the flow inlets of Fig. 3C, which is also the case in Fig.

또한, 상기 도면들에서, 상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면(LE, LE1)에는, 상기 연료 유로 또는 산화제 유로와 연결되는 다수개의 유로 유입구들이 배치되되, 다수개의 유로 유입구들은, 동일한 방향으로 기울어진 것을 알 수 있다.
In the drawings, a plurality of channel inlets connected to the fuel channel or the oxidant channel are disposed on the obliquely projected surfaces LE and LE1, and the plurality of channel inlets are inclined in the same direction .

도 4a는 또 다른 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈의 연료 입구 매니폴드(243)와 연료 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도이고, 도 4b는 상기 다른 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈의 산화제 입구 매니폴드(241)와 산화제 유로 유입구의 연결 구조를 도시한 단면도이다.4A is a cross-sectional view showing a connection structure of the fuel inlet manifold 243 and the fuel flow path inlet of the separator module according to yet another embodiment, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the oxidant inlet manifold 241 ) And the inlet port of the oxidant flow channel.

상기 도면들에서, 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면(LE2, LE3)에는, 상기 연료 유로 또는 산화제 유로와 연결되는 다수개의 유로 유입구들이 배치되며, 다수개의 유로 유입구들은, 가운데를 중심으로 나뉘어서 서로 대칭적인 방향으로 기울어진 것을 알 수 있다. 상기 유로 유입구들이 기울어진 형상이 상기 도 3a, 3b의 경우와 차이가 있다.In the drawings, a plurality of channel inlets connected to the fuel channel or the oxidizer channel are disposed on the obliquely projected surfaces LE2 and LE3, and the plurality of channel inlets are divided into a plurality of channels, As shown in FIG. The shape in which the flow inlets are inclined is different from that in Figs. 3A and 3B.

도 4a, 4b의 구조는 상기 도 3a, 3b의 구조와 비교하였을 때, 제작이 어렵다는 단점이 있으나, 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면(LE2, LE3)이 보다 높은 경사도를 가지고 있어도, 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면(LE, LE1)에 연결된 유로 유입구들은, 그 입구면과 내벽이, 수직이 아닌 기울어진 각도를 유지할 수 있다는 장점이 있다. 즉, LE2 및 LE3의 경사도가 높아도, f1 내지 f8, f11 내지 f20의 각도를 90도 보다 작게 만들 수 있다. 상기 각도들은 바람직하게는 85도 이하의 각도를 가질 수 있다.
4A and 4B have a disadvantage in that they are difficult to manufacture as compared with the structures of FIGS. 3A and 3B. However, even if the surfaces LE2 and LE3 formed in an obliquely protruding shape have a higher inclination, The flow inlets connected to the surfaces LE, LE1 formed by the inlet and the outlet are advantageous in that the inlet and the inner wall can maintain a tilted angle rather than a perpendicular. That is, even if the slopes of LE2 and LE3 are high, the angles of f1 to f8 and f11 to f20 can be made smaller than 90 degrees. The angles may preferably have an angle of less than 85 degrees.

도 5는 종래 기술에 따른 매니폴드에서 유로 유입구에 플러딩 현상에 의해 생성된 물방울(droplet)을 도시한 단면이고, 도 6은 본 발명의 사상에 따른 매니폴드에서 유로 유입구에 플러딩 현상에 의해 생성된 물방울(droplet)을 도시한 단면도이다.FIG. 5 is a cross-sectional view showing a droplet generated by a flooding phenomenon on a flow path inlet in a manifold according to the prior art, and FIG. 6 is a cross-sectional view of a droplet produced by a flooding phenomenon on a flow path inlet in a manifold according to an embodiment of the present invention And is a cross-sectional view showing a droplet.

도 5에 도시한 종래 기술의 경우 비경사유입로 즉, 폭이 일정한(d=d) 수직형 유입로를 가지고 있어서, 응축 현상이 발생하면 유입로 내에 물방울이 고정되는 현상(droplet bridge)이 발생한다. 반면, 도 6에 도시한 본 발명의 경우 경사확대형유입로를 가지고 있어서, 응축수 발생 시 기울어진 경사각()에 의해 중력 방향으로 물방울(droplet)이 이동하고, 좁은 폭(d1)의 상부 유입로와 넓은 폭(d2)의 하부 유입로의 압력차이로 인한 물방울(droplet) 이동하게 된다. 상기 원리에 의해, 유입로 내 유입된 물방울(droplet)을 효과적으로 제거하여 채널 내 플러딩(flooding) 현상을 방지하므로 스택 내구성을 증가시킬 수 있다.
In the case of the prior art shown in FIG. 5, the non-oblique inlet, that is, the vertical inlet having a constant width (d = d) has a phenomenon of droplet bridge do. On the other hand, in the case of the present invention shown in FIG. 6, a droplet is moved in the direction of gravity by an inclined angle &thetas; And the width of the lower inflow path of the wide width d2. According to the above-described principle, the droplet introduced into the inflow path is effectively removed to prevent flooding in the channel, thereby increasing the durability of the stack.

도 7은 종래 기술에 따른 매니폴드의 유량 속도에 대한 시뮬레이션 결과인 분포도이고, 도 8은 본 발명의 사상에 따른 매니폴드의 유량 속도에 대한 시뮬레이션 결과인 분포도이다. 상기 2 분포도를 비교하면 도 8의 경우가 보다 균일한 유량/유속 분포를 가지게 됨을 알 수 있다.
FIG. 7 is a distribution diagram showing a simulation result of a flow velocity of a manifold according to the prior art, and FIG. 8 is a distribution chart showing a simulation result of a flow rate of a manifold according to an embodiment of the present invention. Comparing the two distribution diagrams, it can be seen that the case of FIG. 8 has a more uniform flow / velocity distribution.

구현에 따라, 상기 세퍼레이터 지지체(123)는 독립된 물리적 구조를 가지지 않을 수 있다. 예컨대, 도면에서 생략된 전면에 배치되는 연료 채널이 형성된 연료 채널 구조체는, 전면에 연료 채널이 형성되고 후면에 절반의 유로 채널(145)이 형성된 단일 시트이고, 도면에서 생략된 후면에 배치되는 산화제 채널이 형성된 산화제 채널 구조체는, 전면에 절반의 유로 채널(145)이 형성되고 후면에 산화제 채널이 형성된 단일 시트이고, 상기 2 단일 시트를 접합하여 유로 채널(145)을 형성할 수 있다. 이 경우, 전자의 시트를 애노드측 세퍼레이터로 규정할 수 있으며, 후자의 시트를 캐소드측 세퍼레이터로 규정할 수 있다. 그러나, 이 경우에도 비록 독립적인 물리적 구조는 아니지만, 상기 애노드측 세퍼레이터와 캐소드측 세퍼레이터가 접합하여 유로 채널(145)을 형성하는 형태를 상기 세퍼레이터 지지체로 볼 수 있다.
Depending on the implementation, the separator support 123 may not have an independent physical structure. For example, a fuel channel structure having a fuel channel disposed on the front surface, which is omitted from the drawing, is a single sheet having a fuel channel formed on the front surface and a half channel channel 145 formed on the rear surface, The oxidant channel structure in which the channel is formed is a single sheet in which a half channel channel 145 is formed on the entire surface and an oxidant channel is formed on the rear surface, and the two single sheets are bonded together to form the channel channel 145. In this case, the former sheet can be defined by the anode side separator, and the latter sheet can be defined by the cathode side separator. However, even in this case, a form in which the anode-side separator and the cathode-side separator are joined together to form the channel channel 145 can be regarded as the separator support body, although it is not an independent physical structure.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터 모듈을 구비하는 연료 전지 스택을 도시한 분해 사시도이다. 도 9에서 세퍼레이터 모듈은 상기 애노드측 세퍼레이터와 캐소드측 세퍼레이터로 규정하여 살펴보겠다.9 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell stack including a separator module according to an embodiment of the present invention. In Fig. 9, the separator module is defined by the anode-side separator and the cathode-side separator.

도 9에 도시한 연료 전지 스택(100)은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(131)와, 상기 막-전극 어셈블리에 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터 모듈을 포함하는 복수 개의 전기 생성부(130)들과, 상기 전기 생성부들의 외각에 설치된 엔드 플레이트를 포함할 수 있다.The fuel cell stack 100 shown in FIG. 9 includes a membrane-electrode assembly (MEA) 131, and a plurality of electric cells (not shown) including a separator module disposed in close contact with the membrane- Generating units 130, and an end plate installed at an outer periphery of the electricity generating units.

상기 전기 생성부(130)에는 반응기체가 유입되는 반응기체 입구 매니폴드(141, 143)와 상기 반응기체가 배출되는 반응기체 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 반응기체 입구 매니폴드(141, 143)와 상기 반응기체 출구 매니폴드는 상기 세퍼레이터 모듈에 형성된 반응기체 유로와 연통될 수 있다.The reactant gas inlet manifolds 141 and 143 and the reactant gas outlet manifold through which the reactant gas is discharged are formed in the electricity generating unit 130. The reactant gas inlet manifolds 141 and 143, And the reaction gas outlet manifold may communicate with the reaction gas flow path formed in the separator module.

여기서, 상기 반응기체 입구 매니폴드(141, 143)의 단면은, 상기 반응기체 유로가 연결되는 면이 중심이 높고 주변으로 갈수록 낮아지는 경사지게 돌출되고 그 맞은편 면은 타원형인 초승달 또는 팩맨 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
Here, the cross section of the reactant gas inlet manifolds 141 and 143 has a crescent moon or a pacman shape in which the surface to which the reactant gas flow path is connected is inclined obliquely so as to have a high center, .

도 9에 도시한 연료 전지 스택(100)은 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생산하는 셀(cell) 단위의 전기 생성부(130)를 포함하여 구성된다.The fuel cell stack 100 shown in FIG. 9 includes an electricity generating unit 130 for generating electric energy by electrochemically reacting a fuel and an oxidant.

각각의 전기 생성부(130)는 전기를 발생시키는 단위 셀을 의미하며, 연료와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode assembly: MEA)(131) 및, 반응기체인 연료와 산화제를 막-전극 어셈블리(131)로 공급하기 위한 세퍼레이터 모듈(132, 133)을 포함한다.Each electricity generating unit 130 means a unit cell that generates electricity. The electricity generating unit 130 includes a membrane-electrode assembly (MEA) 131 for oxidizing / reducing oxygen in the fuel and the oxidizer, And a separator module 132, 133 for supplying the membrane-electrode assembly 131 to the membrane-electrode assembly 131.

이와 같은 전기 생성부(130)를 복수로 구비하고, 이들 전기 생성부(130)을 연속적으로 배치함으로써 전기 생성부(130)의 적층 구조에 의한 연료 전지 스택(100)이 형성된다.A plurality of such electricity generation units 130 are provided and the electricity generation units 130 are continuously disposed to form the fuel cell stack 100 having the stacked structure of the electricity generation units 130.

본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 통상적인 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹(cracking)된 수소를 연료로서 사용할 수 있다. 이 경우 상기 연료 전지 스택(100)은 전기 생성부(130)에 의한 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.The fuel cell stack 100 according to the present invention can use hydrogen cracked from liquid or gaseous fuel through a conventional reformer as fuel. In this case, the fuel cell stack 100 may be configured as a polymer electrolyte membrane fuel cell (Fuel Cell) system that generates electrical energy by the reaction of hydrogen and oxygen by the electricity generator 130.

대안으로서 연료 전지 스택(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 전기 생성부(130)에 의한 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.Alternatively, the fuel used in the fuel cell stack 100 may include liquid or gaseous fuel containing hydrogen, such as methanol, ethanol, LPG, LNG, gasoline, butane gas and the like. In this case, the fuel cell stack 100 according to the present invention is a direct oxidation fuel cell system in which electric energy is generated through direct reaction of liquid or gaseous fuel with oxygen by the electricity generating unit 130 Lt; / RTI >

연료 전지 스택(100)은 연료와 반응하는 산화제로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다.The fuel cell stack 100 may use pure oxygen stored in a separate storage means as an oxidant reacting with the fuel, and air containing oxygen may be used as it is.

막-전극 어셈블리(131)는 고체 폴리머 전해질로 형성된 고분자 전해질막과 고분자 전해질막의 양면에 배치된 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함한다.The membrane-electrode assembly 131 includes a polymer electrolyte membrane formed of a solid polymer electrolyte and an anode electrode and a cathode electrode disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane.

세퍼레이터 모듈(132, 133)은 막-전극 어셈블리(131)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 막-전극 어셈블리(131)의 양측에 각각 연료 유로(136)와 산화제 유로(134)를 형성한다. 이때 연료 유로(136)가 형성된 애노드 세퍼레이터(132)는 막-전극 어셈블리(131)의 애노드 전극 측에 배치되고, 산화제 유로(134)가 형성된 캐소드 세퍼레이터(133)는 막-전극 어셈블리(131)의 캐소드 전극 측에 배치된다. 그리고, 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시켜, 캐소드 전극의 산소와 결합되어 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다.The separator modules 132 and 133 are disposed in close contact with each other with the membrane electrode assembly 131 interposed therebetween to form a fuel flow path 136 and an oxidant flow path 134 on both sides of the membrane electrode assembly 131. The anode separator 132 formed with the fuel flow path 136 is disposed on the anode electrode side of the membrane electrode assembly 131 and the cathode separator 133 formed with the oxidant flow path 134 is disposed on the anode electrode side of the membrane electrode assembly 131 And is disposed on the cathode electrode side. The electrolyte membrane moves the hydrogen ions generated in the anode electrode to the cathode electrode, thereby enabling ion exchange to combine with oxygen in the cathode electrode to generate water.

위와 같은 복수의 전기 생성부(130)가 연속적으로 배치됨으로써 연료 전지 스택(100)을 구성하게 된다. 여기서 연료 전지 스택(100)의 제일 외각에는 연료 전지 스택(100)을 일체로 고정하는 엔드 플레이트(160)가 설치된다.The plurality of electricity generators 130 are arranged continuously to constitute the fuel cell stack 100. An end plate 160 for fixing the fuel cell stack 100 integrally with the fuel cell stack 100 is installed at the outermost periphery of the fuel cell stack 100.

상기 일측 엔드 플레이트(160)의 상부에는 산화제를 연료 전지 스택(100)으로 공급하기 위한 산화제 주입구(162)와 연료를 연료 전지 스택(100)으로 공급하기 위한 연료 주입구(164), 및 냉각 매체를 주입하기 위한 냉각매체 주입구(163)가 형성된다. 한편, 일측 엔드 플레이트(160)의 하부에는 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출시키기 위한 연료 배출구(167)와 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분과 미반응 공기를 배출시키기 위한 산화제 배출구(169), 및 냉각 매체가 배출되는 냉각매체 배출구(168)가 형성된다.An oxidant injection port 162 for supplying an oxidant to the fuel cell stack 100 and a fuel injection port 164 for supplying fuel to the fuel cell stack 100 are formed on the upper end plate 160, A cooling medium inlet 163 for injecting is formed. In addition, a fuel outlet 167 for discharging the unreacted fuel reacted at the anode electrode and a moisture and unreacted air generated by the hydrogen-oxygen coupling reaction at the cathode electrode are discharged to the lower portion of the one end plate 160 An oxidant discharge port 169 for discharging the cooling medium, and a cooling medium discharge port 168 for discharging the cooling medium.

상기 애노드/캐소드 세퍼레이터(132, 133)는 그 일면에 채널 형상의 반응기체 유로(136, 134)가 형성되어, 이런 반응기체 유로(136, 134)를 통해 연료 또는 산화제로 이루어진 반응기체가 유입된다. 여기서 반응기체 유로라 함은 산화제 유로와 연료 기체 유로를 포함하는 개념이다.The anode / cathode separators 132 and 133 are formed with channel-shaped reaction gas flow passages 136 and 134 on one side thereof, and a reaction gas composed of fuel or oxidizing agent flows through the reaction gas flow passages 136 and 134 . Here, the reaction gas flow path is a concept including an oxidant flow path and a fuel gas flow path.

상기 캐소드 세퍼레이터(133)는 막-전극 어셈블리(131)를 향하는 일면에 산화제 유로(134)가 형성되고, 이런 산화제 유로(134)로 산소를 함유하는 산화제 가스가 유입된다. 애노드 세퍼레이터(132)는 막-전극 어셈블리(131)를 향하는 일면에 연료 유로(136)가 형성되고, 이런 연료 유로(136)로 수소를 함유하는 연료 가스가 유입된다.The cathode separator 133 has an oxidant channel 134 formed on one surface thereof facing the membrane electrode assembly 131 and an oxidant gas containing oxygen is introduced into the oxidant channel 134. The anode separator 132 has a fuel flow path 136 formed on one surface thereof facing the membrane electrode assembly 131, and a fuel gas containing hydrogen flows into the fuel flow path 136.

상기 애노드/캐소드 세퍼레이터(132, 133)는 상기 일면의 반대편에 해당하는 배면에 냉각 유로가 형성될 수 있으며, 이에 따라 전기 에너지와 함께 발생되는 반응열을 제거한다.The anode / cathode separators 132 and 133 may have cooling passages formed on a rear surface opposite to the one surface, thereby eliminating reaction heat generated together with electrical energy.

상기 연료 전지 스택(100) 내부에는 산화제가 유입되는 산화제 입구 매니폴드(141)와 냉각 매체가 유입되는 냉각매체 입구 매니폴드(142), 및 연료가 유입되는 연료 입구 매니폴드(143)가 형성된다. 또한, 연료 전지 스택(100)의 내부에는 산화제가 배출되는 산화제 출구 매니폴드(146)와 연료가 배출되는 연료 출구 매니폴드, 및 냉각 매체가 배출되는 냉각 매체 출구 매니폴드가 형성된다. Inside the fuel cell stack 100, an oxidant inlet manifold 141 through which an oxidant flows, a cooling medium inlet manifold 142 through which a cooling medium flows, and a fuel inlet manifold 143 through which fuel flows are formed . Inside the fuel cell stack 100, there are formed an oxidant outlet manifold 146 through which the oxidant is discharged, a fuel outlet manifold through which the fuel is discharged, and a cooling medium outlet manifold through which the cooling medium is discharged.

상기 산화제 입구 매니폴드(141)는 연료 전지 스택(100)의 상부 일측 코너에 형성되고, 산화제 출구 매니폴드(146)는 연료 전지 스택(100)의 하부에서 상기 일측 코너의 대각선 방향 코너에 형성된다. 본 기재에서 상부라 함은 중력 방향을 기준으로 위에 있다는 의미하며, 하부라 함은 중력 방향을 기준으로 아래에 있다는 것을 의미한다.The oxidant inlet manifold 141 is formed at one upper corner of the fuel cell stack 100 and the oxidant outlet manifold 146 is formed at a diagonal corner of the one corner at the lower portion of the fuel cell stack 100 . In the present description, the upper part means that the upper part is based on the gravity direction, and the lower part means that the lower part is based on the gravity direction.

또한, 연료 입구 매니폴드(143)는 연료 전지 스택(100)의 상부 타측 코너에 형성되고, 연료 출구 매니폴드는 상기 타측 코너의 대각선 방향 코너에 형성된다. 따라서 산화제 입구 매니폴드(141) 및 연료 입구 매니폴드(143)는 산화제 출구 매니폴드(146) 및 연료 출구 매니폴드에 비하여 중력방향으로 상부에 위치한다.Further, the fuel inlet manifold 143 is formed at the other corner of the top of the fuel cell stack 100, and the fuel outlet manifold is formed at the diagonal corner of the other corner. The oxidant inlet manifold 141 and the fuel inlet manifold 143 are located at the top in the gravity direction relative to the oxidant outlet manifold 146 and the fuel outlet manifold.

상기 산화제 입구 매니폴드(141), 연료 입구 매니폴드(143)는 적층 배열되는 전기 생성부들에 형성된 구멍들이 이어져 덕트 구조를 형성한다.The oxidant inlet manifold 141 and the fuel inlet manifold 143 are formed by holes formed in the electricity generating parts arranged in a laminated manner to form a duct structure.

상기 산화제 입구 매니폴드(141) 및 산화제 출구 매니폴드(146)는 캐소드 세퍼레이터에 형성된 산화제 유로(134)와 연통되며, 연료 입구 매니폴드(143) 및 연료 출구 매니폴드는 애노드 세퍼레이터(132)에 형성된 연료 유로(136)와 연통된다.The oxidant inlet manifold 141 and the oxidant outlet manifold 146 are in communication with the oxidant passage 134 formed in the cathode separator and the fuel inlet manifold 143 and the fuel outlet manifold are formed in the anode separator 132. [ And communicates with the fuel flow path 136.

상기 산화제 입구 매니폴드(141) 및/또는 연료 입구 매니폴드(143)는, 본 발명의 사상에 따라, 도 2에 도시한 바와 같이 단면이 초승달 또는 팩맨 형상을 가지게 된다. 이에 따라, 매니폴드 내부 wall effect에 의한 2차 유동 발생으로, 내부 유동 변화를 일으켜서, 매니폴드 내부의 중력에 의한 반응가스의 치우침 현상 제거하고, 유동가이드로 유량 균등 분배를 가능하게 하는 이점이 있다. 또한, 도 6에 도시한 경사확대형 유입로를 구비하므로, 유입로 내 유입된 물방울(droplet)을 효과적으로 제거하여 채널 내 플러딩(flooding) 현상을 방지할 수 있다.
The oxidant inlet manifold 141 and / or the fuel inlet manifold 143 have a cross section in the form of a crescent moon or a pacman, as shown in Fig. 2, according to the idea of the present invention. Accordingly, there is an advantage in that a secondary flow caused by the wall effect inside the manifold causes an internal flow change, thereby eliminating the bias of the reaction gas due to the gravity inside the manifold, and allowing the flow guide to be evenly distributed . Further, since the oblique-expanding inflow path shown in FIG. 6 is provided, it is possible to effectively remove the droplet introduced into the inflow path and to prevent flooding in the channel.

상술한 상세한 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시예에 불과하므로 본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위가 상기 설명된 바에 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위는 후술하는 특허청구범위 및 그 균등범위에 의해 정하여진다.It is to be understood that the detailed description is only an example for the understanding of the present invention and should not be construed as being limited to the scope of the present invention. The scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents.

100: 연료 전지 스택
130: 전기 생성부
131: 막-전극 어셈블리
132: 애노드 세퍼레이터
133: 캐소드 세퍼레이터
141: 산화제 입구 매니폴드
143: 연료 입구 매니폴드
150 : 세퍼레이터 모듈
100: Fuel cell stack
130: electricity generation unit
131: membrane-electrode assembly
132: anode separator
133: cathode separator
141: oxidant inlet manifold
143: fuel inlet manifold
150: Separator module

Claims (10)

막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터 모듈을 포함하는 복수 개의 전기 생성부들과, 상기 전기 생성부들의 외각에 설치된 엔드 플레이트를 포함하며,
상기 전기 생성부에는 반응기체가 유입되는 반응기체 입구 매니폴드와 상기 반응기체가 배출되는 반응기체 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 반응기체 입구 매니폴드와 상기 반응기체 출구 매니폴드는 상기 세퍼레이터 모듈에 형성된 반응기체 유로와 연통되되,
상기 반응기체 입구 매니폴드는, 유동가이드에 의해 균등하게 분배된 유량을 유입받으며,
상기 반응기체 입구 매니폴드의 단면은, 상기 반응기체 유로가 연결되는 면이 중심이 높고 주변으로 갈수록 낮아지는 경사지게 돌출되고 그 맞은편 면은 타원형인 초승달 또는 팩맨 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
A plurality of electricity generating units including a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator module closely disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, and an end plate installed at an outer periphery of the electricity generating units In addition,
Wherein the reactant gas inlet manifold and the reactive gas outlet manifold are formed in the separator module, wherein the reactant gas inlet manifold and the reactive gas outlet manifold are formed in the electricity generating portion, And is communicated with the reaction gas flow path,
The reactant gas inlet manifold is supplied with a flow rate evenly distributed by a flow guide,
Wherein a cross section of the reactant gas inlet manifold has a crescent moon or a pacman shape in which the surface to which the reactant gas flow path is connected is inclined obliquely so that the center thereof is high and decreases toward the periphery, .
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터 모듈은, 세퍼레이터 지지체와; 상기 세퍼레이터 지지체의 일면에 연료 유로를 구비한 형태로 형성된 연료 채널 구조체; 상기 세퍼레이터 지지체의 타면에 산화제 유로를 구비한 형태로 형성된 산화제 채널 구조체; 상기 연료 유로로 연료 유체가 유입되는 연료 입구 매니폴드; 상기 연료 유로로부터 연료 유체가 유출되는 연료 출구 매니폴드; 상기 산화제 유로로 산화제가 유입되는 산화제 입구 매니폴드; 상기 산화제 유로로부터 산화제가 유출되는 산화제 출구 매니폴드를 포함하되,
상기 연료 입구 매니폴드 또는 상기 산화제 입구 매니폴드 또는 상기 연료 입구 매니폴드와 산화제 입구 매니폴드는, 유로가 연결되는 면이 중심이 높고 주변으로 갈수록 낮아지는 경사지게 돌출된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
The method according to claim 1,
The separator module includes: a separator support body; A fuel channel structure formed on one surface of the separator support body and having a fuel flow path; An oxidant channel structure formed on the other surface of the separator support body with an oxidant channel; A fuel inlet manifold through which the fuel fluid flows into the fuel flow path; A fuel outlet manifold through which the fuel fluid flows out from the fuel flow path; An oxidant inlet manifold through which the oxidant flows into the oxidant passage; And an oxidant outlet manifold through which the oxidant flows out from the oxidant passage,
Wherein the fuel inlet manifold or the oxidant inlet manifold or the fuel inlet manifold and the oxidant inlet manifold are formed in an obliquely protruding shape in which the surface to which the flow path is connected is centered and lowered toward the periphery, stack.
제 2 항에 있어서,
상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면에 연결된 유로 유입구는, 그 입구면과 내벽이, 수직이 아닌 기울어진 각도를 유지하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
3. The method of claim 2,
Wherein the inlet port and the inner wall of the flow path inlet connected to the obliquely projecting surface maintain a tilted angle, not perpendicular.
제 3 항에 있어서,
상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면에 연결된 유로 유입구는, 내부로 들어갈수록 단면이 넓어지는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
The method of claim 3,
Wherein the channel inlet connected to the obliquely protruding surface has a shape in which a cross section is wider as it enters the inside.
제 3 항에 있어서,
상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면에 연결된 유로 유입구는, 내부로 들어갈수록 단면이 좁어지는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
The method of claim 3,
Wherein the flow path inlet connected to the surface formed in the slantingly protruding shape has a shape in which the cross section is narrowed as it enters the inside.
제 2 항에 있어서,
상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면에는,
상기 연료 유로 또는 산화제 유로와 연결되는 다수개의 유로 유입구들이 배치되며,
다수개의 유로 유입구들은, 동일한 방향으로 기울어진 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
3. The method of claim 2,
On the surface formed in the inclined projecting shape,
A plurality of flow inlets connected to the fuel flow path or the oxidant flow path are disposed,
And the plurality of flow inlets are inclined in the same direction.
제 2 항에 있어서,
상기 경사지게 돌출된 형태로 형성된 면에는,
상기 연료 유로 또는 산화제 유로와 연결되는 다수개의 유로 유입구들이 배치되며,
다수개의 유로 유입구들은, 가운데를 중심으로 나뉘어서 서로 대칭적인 방향으로 기울어진 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
3. The method of claim 2,
On the surface formed in the inclined projecting shape,
A plurality of flow inlets connected to the fuel flow path or the oxidant flow path are disposed,
Wherein the plurality of the flow path inlets are inclined in a direction symmetrical to each other while being divided around the center.
제 2 항에 있어서,
상기 세퍼레이터 지지체에는, 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로가 형성된 연료 전지 스택.
3. The method of claim 2,
And a cooling flow passage through which the cooling fluid flows is formed in the separator support body.
제 1 항에 있어서,
상기 반응기체는 연료기체 또는 산화제인 연료 전지 스택.
The method according to claim 1,
Wherein the reactive gas is a fuel gas or an oxidant.
제 1 항에 있어서,
상기 반응기체 입구 매니폴드는 상기 반응기체 출구 매니폴드에 보다 중력 방향을 기준으로 상부에 위치하는 연료 전지 스택.
The method according to claim 1,
Wherein the reactant gas inlet manifold is located at an upper portion of the reactant gas outlet manifold relative to a direction of gravity.
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