KR20230032729A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예는 연료전지 스택에 관한 것으로, 전기적으로 병렬로 연결되되 독립적으로 발전 가능하게 마련되는 복수개의 제1반응셀을 포함하는 제1단위셀; 및 전기적으로 병렬로 연결되되 독립적으로 발전 가능하게 마련되는 복수개의 제2반응셀을 포함하며, 제1단위셀과 전기적으로 직렬로 연결되게 상기 제1단위셀에 적층되는 제2단위셀;을 포함하는 것에 의하여, 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.An embodiment of the present invention relates to a fuel cell stack, comprising: a first unit cell including a plurality of first reaction cells electrically connected in parallel but independently capable of power generation; And a second unit cell including a plurality of second reaction cells electrically connected in parallel but provided to be independently capable of power generation, and stacked on the first unit cell to be electrically connected in series with the first unit cell. By doing so, it is possible to obtain advantageous effects of improving performance and operational efficiency.
Description
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 구체적으로 안정성 및 내구성을 높이고, 성능 및 작동 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack capable of increasing stability and durability, and improving performance and operational efficiency.
연료전지 스택은, 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 일종의 발전 장치로서, 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위셀)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.A fuel cell stack is a kind of power generation device that generates electrical energy through a chemical reaction of fuel (eg, hydrogen), and may be configured by stacking tens or hundreds of fuel cell cells (unit cells) in series.
연료전지 셀은, 수소 양이온을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질막의 양쪽면에 마련된 전극(촉매전극층)이 결합된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 막전극접합체의 양면에 밀착되어 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 및 기체확산층에 밀착되며 유로를 형성하는 분리판(Bipolar plate)을 포함할 수 있다.A fuel cell is a Membrane Electrode Assembly (MEA) in which an electrolyte membrane capable of transporting hydrogen cations and electrodes (catalyst electrode layers) provided on both sides of the electrolyte membrane to allow hydrogen and oxygen to react are combined. It may include a gas diffusion layer (GDL) that adheres to both sides of the electrode assembly to evenly distribute reactive gases and transmits the generated electrical energy, and a bipolar plate that adheres to the gas diffusion layer and forms a flow path. there is.
연료전지 스택은 연료전지 셀의 개수 증가(반응면적 증가)에 비례하여 출력이 증가하는 특성을 가짐으로, 연료전지 셀의 개수를 증가시킴으로써 연료전지 스택의 출력을 높일 수 있다.Since the fuel cell stack has a characteristic of increasing output in proportion to an increase in the number of fuel cell cells (increase in reaction area), the output of the fuel cell stack can be increased by increasing the number of fuel cell cells.
그런데, 연료전지 스택의 출력을 높이기 위해 연료전지 셀의 개수를 증가시키면, 연료전지 셀의 개수 증가에 비례하여 연료전지 스택의 전압도 함께 증가하게 되므로, 연료전지 스택의 출력(전압)이 증가할수록 고전압에 적합한 전력 변환 장치가 마련되어야 한다.However, when the number of fuel cell cells is increased in order to increase the output of the fuel cell stack, the voltage of the fuel cell stack also increases in proportion to the increase in the number of fuel cell cells, so as the output (voltage) of the fuel cell stack increases, A power converter suitable for high voltage must be provided.
한편, 연료전지 스택의 전압이 적정 범위(예를 들어, 0.5V~0.85V)를 벗어나게 되면, 연료전지 스택(막전극접합체)의 열화를 유발하고 안정성 및 내구성을 저하시키는 원인이 되므로, 연료전지 스택의 전압을 적정 범위로 유지할 수 있어야 한다.On the other hand, if the voltage of the fuel cell stack is out of the proper range (eg, 0.5V to 0.85V), it causes deterioration of the fuel cell stack (membrane electrode assembly) and deteriorates stability and durability, so the fuel cell It should be possible to keep the voltage of the stack in an appropriate range.
그러나, 기존에는 연료전지 스택의 출력 조건에 상관없이 연료전지 스택을 구성하는 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위셀)을 항상 모두 사용(전체 반응 면적을 항상 동시에 사용)하여 발전해야 하므로, 내구성에 취약할 뿐만 아니라, 출력 조건에 따라 연료전지 스택의 전압을 적정 범위로 유지하기 어려운 문제점이 있다.However, in the past, regardless of the output condition of the fuel cell stack, tens or hundreds of fuel cell cells (unit cells) constituting the fuel cell stack must be used all the time (the entire reaction area is always used simultaneously) to generate power, so durability is In addition to being vulnerable, there is a problem in that it is difficult to maintain the voltage of the fuel cell stack in an appropriate range according to output conditions.
예를 들어, 연료전지 스택의 저출력 운전 조건에서는, 각 연료전지 셀에 저전류가 인가됨에 따라 각 연료전지 셀이 고전압(예를 들어, 1V~1.2V)으로 유지된다. 이와 반대로, 연료전지 스택의 고출력 운전 조건에서는 각 연료전지 셀에 고전류(예를 들어, 최대 전류)가 인가됨에 따라 각 연료전지 셀이 저전압(예를 들어, 0.4V~0.6V)으로 유지된다. 이와 같이, 연료전지 스택의 전압이 적정 범위를 벗어나는 약 0.4V~1.2V까지 변화하게 되면, 연료전지 스택의 열화가 발생하고 내구성이 저하되는 문제점이 있다.For example, in a low power operating condition of the fuel cell stack, each fuel cell is maintained at a high voltage (eg, 1V to 1.2V) as a low current is applied to each fuel cell. Conversely, in a high-output operating condition of the fuel cell stack, each fuel cell is maintained at a low voltage (eg, 0.4V to 0.6V) as a high current (eg, maximum current) is applied to each fuel cell. As such, when the voltage of the fuel cell stack changes to about 0.4V to 1.2V out of an appropriate range, there is a problem in that the fuel cell stack is deteriorated and durability is lowered.
이에 따라, 최근에는 연료전지 스택의 안정성 및 내구성을 높이고, 성능 및 작동 효율을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.Accordingly, in recent years, various studies have been conducted to improve the stability and durability of fuel cell stacks, and to improve performance and operational efficiency.
본 발명의 실시예는 안정성 및 내구성을 높이고, 성능 및 작동 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of improving stability and durability, and improving performance and operational efficiency.
특히, 본 발명의 실시예는 요구되는 조건 및 사용 환경에 따라 연료전지 스택에서 반응기체가 반응하는 반응 면적을 선택적으로 가변시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.In particular, an object of an embodiment of the present invention is to selectively change a reaction area in which a reactive gas reacts in a fuel cell stack according to required conditions and use environments.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 하나의 단위셀을 전기적으로 병렬로 연결되는 복수개의 반응셀로 구획하고, 각 반응셀이 각각 독립적으로 발전할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.Above all, an object of the present invention is to partition one unit cell into a plurality of reaction cells electrically connected in parallel, and to allow each reaction cell to independently generate electricity.
또한, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 열화 및 내구성 저하를 최소화할 수 있는 조건(전압을 적정 범위로 유지하는 상태)로 발전을 수행할 수 있으며, 고전압 전력 변환 장치의 사용을 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.In addition, an embodiment of the present invention can perform power generation under conditions that can minimize deterioration and durability of the fuel cell stack (a state in which the voltage is maintained in an appropriate range), and can minimize the use of a high voltage power conversion device. It aims to make
또한, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 출력을 향상시킬 수 있으며, 운전 조건(출력)에 따라 연료전지 스택의 전압을 보다 다양하게 변경할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.In addition, embodiments of the present invention are aimed at improving the output of a fuel cell stack and allowing the voltage of the fuel cell stack to be changed more diversely according to driving conditions (output).
또한, 본 발명의 실시예는 운전 조건에 따라 단위 반응 면적당 반응 기체 공급 유량 및 압력을 최적화하고, 냉각수 공급 유량을 최적화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to optimize the flow rate and pressure of a reactant gas per unit reaction area according to operating conditions, and to optimize the flow rate of cooling water.
또한, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 수명을 연장할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.In addition, embodiments of the present invention are aimed at extending the lifespan of a fuel cell stack.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.The problem to be solved in the embodiment is not limited thereto, and it will be said that the solution to the problem described below or the purpose or effect that can be grasped from the embodiment is also included.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 스택은, 전기적으로 병렬로 연결되되 독립적으로 발전 가능하게 마련되는 복수개의 제1반응셀을 포함하는 제1단위셀; 및 전기적으로 병렬로 연결되되 독립적으로 발전 가능하게 마련되는 복수개의 제2반응셀을 포함하며, 제1단위셀과 전기적으로 직렬로 연결되게 상기 제1단위셀에 적층되는 제2단위셀;을 포함한다.According to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above-described objects of the present invention, a fuel cell stack includes a first unit cell including a plurality of first reaction cells electrically connected in parallel but independently capable of power generation. ; And a second unit cell including a plurality of second reaction cells electrically connected in parallel but provided to be independently capable of power generation, and stacked on the first unit cell to be electrically connected in series with the first unit cell. do.
이는, 연료전지 스택의 안정성 및 내구성을 높이고, 성능 및 작동 효율을 향상시키기 위함이다.This is to increase stability and durability of the fuel cell stack, and to improve performance and operational efficiency.
기존에는 연료전지 스택의 출력 조건에 상관없이 연료전지 스택을 구성하는 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위셀)을 항상 모두 사용(전체 반응 면적을 항상 동시에 사용)하여 발전해야 하므로, 내구성에 취약할 뿐만 아니라, 출력 조건에 따라 연료전지 스택의 전압을 적정 범위로 유지하기 어려운 문제점이 있다.Conventionally, regardless of the output condition of the fuel cell stack, it is necessary to always use all of the tens or hundreds of fuel cell cells (unit cells) constituting the fuel cell stack (the entire reaction area is always used simultaneously) to generate power, which is vulnerable to durability. In addition, there is a problem in that it is difficult to maintain the voltage of the fuel cell stack in an appropriate range according to output conditions.
하지만, 본 발명의 실시예는, 하나의 단위셀을 전기적으로 병렬로 연결되는 복수개의 반응셀로 구획하고, 각 반응셀이 각각 독립적으로 발전하도록 하는 것에 의하여, 사용 환경에 따라 연료전지 스택에서 반응기체가 반응하는 반응 면적을 선택적으로 가변시킬 수 있다.However, in an embodiment of the present invention, one unit cell is partitioned into a plurality of reaction cells electrically connected in parallel, and each reaction cell independently generates power, thereby reacting in a fuel cell stack according to the use environment. The reaction area in which the gas reacts can be selectively varied.
따라서, 연료전지 스택의 열화 및 내구성 저하를 최소화할 수 있는 조건(예를 들어, 전압을 적정 범위로 유지하는 상태)로 발전을 수행할 수 있으므로, 안정성 및 내구성을 높이고, 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.Therefore, power generation can be performed under conditions that can minimize deterioration and durability of the fuel cell stack (eg, a state in which the voltage is maintained in an appropriate range), thereby increasing stability and durability, and improving performance and operational efficiency. beneficial effects can be obtained.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1단위셀은, 복수개의 상기 제1반응셀에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제1분할막전극접합체를 포함하는 제1막전극접합체유닛; 복수개의 상기 제1분할막전극접합체를 공통적으로 덮도록 상기 제1막전극접합체유닛에 적층되는 제1기체확산층; 및 복수개의 상기 제1분할막전극접합체에 대응되게 상기 제1기체확산층에 적층되는 복수개의 제1분할분리판을 포함하는 제1분리판유닛;을 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the first unit cell includes a first membrane electrode assembly unit including a plurality of first divided membrane electrode assemblies independently divided to correspond to the plurality of first reaction cells; a first gas diffusion layer stacked on the first membrane electrode assembly unit so as to commonly cover the plurality of first split membrane electrode assemblies; and a first separator unit including a plurality of first partition separator plates stacked on the first gas diffusion layer to correspond to the plurality of first partition membrane electrode assemblies.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제2단위셀은, 복수개의 상기 제2반응셀에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제2분할막전극접합체를 포함하는 제2막전극접합체유닛; 복수개의 상기 제2분할막전극접합체를 공통적으로 덮도록 상기 제2막전극접합체유닛에 적층되는 제2기체확산층; 및 복수개의 상기 제2분할막전극접합체에 대응되게 상기 제2기체확산층에 적층되는 복수개의 제2분할분리판을 포함하는 제2분리판유닛; 을 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the second unit cell may include a second membrane electrode assembly unit including a plurality of second divided membrane electrode assemblies independently divided to correspond to the plurality of second reaction cells; a second gas diffusion layer stacked on the second membrane electrode assembly unit to commonly cover the plurality of second divided membrane electrode assemblies; and a second separator unit including a plurality of second partition separator plates stacked on the second gas diffusion layer to correspond to the plurality of second partition membrane electrode assemblies; can include
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1막전극접합체유닛에 마련되며, 상기 제1분할막전극접합체를 독립적으로 구획하는 제1실링부재; 상기 제1분리판유닛에 마련되며, 상기 제1분할분리판을 독립적으로 구획하는 제2실링부재; 상기 제2막전극접합체유닛에 마련되며, 상기 제2분할막전극접합체를 독립적으로 구획하는 제3실링부재; 및 상기 제2분리판유닛에 마련되며, 상기 제2분할분리판을 독립적으로 구획하는 제4실링부재;를 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, a first sealing member provided in the first membrane electrode assembly unit and independently partitioning the first divided membrane electrode assembly; a second sealing member provided in the first separation plate unit and independently partitioning the first division and separation plate; a third sealing member provided in the second membrane electrode assembly unit and independently partitioning the second divided membrane electrode assembly; and a fourth sealing member provided in the second separation plate unit and independently partitioning the second separation plate.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1실링부재는, 상기 제1막전극접합체유닛의 가장자리를 따라 마련되는 제1가장자리 실링부; 및 서로 인접한 상기 제1분할막전극접합체의 사이에 마련되며, 상기 제1가장자리 실링부에 연결되는 제1중간 실링부;를 포함하고, 상기 제2실링부재는, 상기 제1분리판유닛의 가장자리를 따라 마련되는 제2가장자리 실링부; 및 서로 인접한 상기 제1분할막전극접합체의 사이에 마련되며, 상기 제2가장자리 실링부에 연결되는 제2중간 실링부;를 포함하며, 상기 제3실링부재는, 상기 제2막전극접합체유닛의 가장자리를 따라 마련되는 제3가장자리 실링부; 및 서로 인접한 상기 제2분할막전극접합체의 사이에 마련되며, 상기 제3가장자리 실링부에 연결되는 제3중간 실링부;를 포함하고, 상기 제4실링부재는, 상기 제2분리판유닛의 가장자리를 따라 마련되는 제4가장자리 실링부; 및 서로 인접한 상기 제2분할막전극접합체의 사이에 마련되며, 상기 제4가장자리 실링부에 연결되는 제4중간 실링부;를 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the first sealing member may include: a first edge sealing portion provided along an edge of the first membrane electrode assembly unit; and a first intermediate sealing part provided between the first partition electrode assemblies adjacent to each other and connected to the first edge sealing part, wherein the second sealing member is an edge of the first separator unit. A second edge sealing portion provided along; and a second intermediate sealing portion provided between the first split membrane electrode assemblies adjacent to each other and connected to the second edge sealing portion, wherein the third sealing member is a component of the second membrane electrode assembly unit. A third edge sealing portion provided along the edge; and a third intermediate sealing part provided between the second partition electrode assemblies adjacent to each other and connected to the third edge sealing part, wherein the fourth sealing member is an edge of the second separator unit. A fourth edge sealing portion provided along; and a fourth intermediate sealing part provided between the second divided film electrode assemblies adjacent to each other and connected to the fourth edge sealing part.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 복수개의 상기 제1분할분리판 중 적어도 어느 하나에 연결되는 제1전압 모니터링 단자; 및 복수개의 상기 제2분할분리판 중 적어도 어느 하나에 연결되는 제2전압 모니터링 단자; 를 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, a first voltage monitoring terminal connected to at least one of the plurality of first dividing plates; and a second voltage monitoring terminal connected to at least one of the plurality of second dividing plates. can include
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1분할분리판에 각각 마련되는 제1매니폴드유로; 상기 제2분할분리판에 각각 마련되며, 상기 제1매니폴드유로와 연통되는 제2매니폴드유로; 및 상기 제1분할분리판 및 상기 제2분할분리판 별로 상기 제1매니폴드유로 및 상기 제2매니폴드유로를 개폐 가능하게 마련되는 개폐유닛; 을 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, first manifold passages provided in each of the first dividing plates; second manifold passages provided on each of the second partitioning plates and communicating with the first manifold passage; and an opening/closing unit provided to be able to open and close the first manifold passage and the second manifold passage for each of the first division and separation plate and the second division and division plate; can include
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀의 최외각 단부에 체결되며, 상기 제1매니폴드유로 및 상기 제2매니폴드유로와 연통되는 복수개의 연통유로가 형성된 엔드플레이트를 포함하되, 상기 개폐유닛은, 상기 연통유로를 각각 개별적으로 개폐 가능하게 상기 엔드플레이트에 마련되는 복수개의 개폐밸브를 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, a plurality of communication passages fastened to the outermost ends of the first unit cell and the second unit cell and communicating with the first manifold passage and the second manifold passage are formed. An end plate, wherein the opening/closing unit may include a plurality of opening/closing valves provided on the end plate to individually open and close the communication passages.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀의 최외각 단부에 체결되며, 상기 제1매니폴드유로 및 상기 제2매니폴드유로와 연통되는 복수개의 연통유로가 형성된 엔드플레이트; 및 상기 엔드플레이트의 단부에 마련되되, 상기 연통유로와 개별적으로 연통되는 복수개의 가이드유로를 포함하는 매니폴드블록;을 포함하되, 상기 개폐유닛은, 상기 가이드유로를 각각 개별적으로 개폐 가능하게 상기 매니폴드블록에 마련되는 복수개의 개폐밸브를 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, a plurality of communication passages fastened to the outermost ends of the first unit cell and the second unit cell and communicating with the first manifold passage and the second manifold passage are formed. end plate; and a manifold block provided at an end of the end plate and including a plurality of guide passages individually communicating with the communication passage, wherein the opening/closing unit is configured to individually open and close the guide passages. It may include a plurality of on-off valves provided in the fold block.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1분리판유닛에 마련되며, 복수개의 상기 제1분할분리판에 대응되게 독립적으로 구획되는 복수개의 제1냉각수유로; 및 상기 제2분리판유닛에 마련되며, 복수개의 상기 제2분할분리판에 대응되게 독립적으로 구획되는 복수개의 제2냉각수유로;를 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, a plurality of first cooling water passages provided in the first separator unit and independently partitioned to correspond to the plurality of first partition separator plates; and a plurality of second cooling water passages provided in the second separation plate unit and independently partitioned to correspond to the plurality of second division separation plates.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1단위셀은, 복수개의 상기 제1반응셀에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제1분할막전극접합체를 포함하는 제1막전극접합체유닛; 복수개의 상기 제1분할막전극접합체에 대응되게 상기 제1막전극접합체유닛에 적층되는 복수개의 제1분할기체확산층을 포함하는 제1기체확산층유닛; 복수개의 상기 제1분할기체확산층을 공통적으로 덮도록 상기 제1기체확산층유닛에 적층되는 제1분리판;을 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the first unit cell may include a first membrane electrode assembly unit including a plurality of first divided membrane electrode assemblies independently divided to correspond to the plurality of first reaction cells; a first gas diffusion layer unit including a plurality of first divided gas diffusion layers stacked on the first membrane electrode assembly unit to correspond to the plurality of first divided membrane electrode assembly units; A first separation plate stacked on the first gas diffusion layer unit to commonly cover the plurality of first divided gas diffusion layers.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제2단위셀은, 복수개의 상기 제2반응셀에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제2분할막전극접합체를 포함하는 제2막전극접합체유닛; 복수개의 상기 제2분할막전극접합체에 대응되게 상기 제2막전극접합체유닛에 적층되는 복수개의 제2분할기체확산층을 포함하는 제2기체확산층유닛; 복수개의 상기 제2분할기체확산층을 공통적으로 덮도록 상기 제2기체확산층유닛에 적층되는 제2분리판;을 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the second unit cell may include a second membrane electrode assembly unit including a plurality of second divided membrane electrode assemblies independently divided to correspond to the plurality of second reaction cells; a second gas diffusion layer unit including a plurality of second divided gas diffusion layers stacked on the second membrane electrode assembly unit to correspond to the plurality of second divided membrane electrode assembly units; A second separator stacked on the second gas diffusion layer unit so as to commonly cover the plurality of second divided gas diffusion layers.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1막전극접합체유닛에 마련되며, 상기 제1분할막전극접합체를 독립적으로 구획하는 제1실링부재; 상기 제1기체확산층유닛에 마련되며, 상기 제1분할기체확산층을 독립적으로 구획하는 제2실링부재; 상기 제2막전극접합체유닛에 마련되며, 상기 제2분할막전극접합체를 독립적으로 구획하는 제3실링부재; 및 상기 제2기체확산층유닛에 마련되며, 상기 제2분할기체확산층을 독립적으로 구획하는 제4실링부재;를 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, a first sealing member provided in the first membrane electrode assembly unit and independently partitioning the first divided membrane electrode assembly; a second sealing member provided in the first gas diffusion layer unit and independently partitioning the first divided gas diffusion layer; a third sealing member provided in the second membrane electrode assembly unit and independently partitioning the second divided membrane electrode assembly; and a fourth sealing member provided in the second gas diffusion layer unit and independently partitioning the second divided gas diffusion layer.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1분할기체확산층에 대응되게 상기 제1분리판에 마련되는 복수개의 제1매니폴드유로; 상기 제1분리판에 마련되며, 상기 제1분할기체확산층에 대응되게 상기 제1매니폴드유로를 독립적으로 구획하는 제1구획부재; 상기 제2분할기체확산층에 대응되게 상기 제2분리판에 마련되는 복수개의 제2매니폴드유로; 및 상기 제2분리판에 마련되며, 상기 제2분할기체확산층에 대응되게 상기 제2매니폴드유로를 독립적으로 구획하는 제2구획부재;를 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, a plurality of first manifold passages provided in the first separation plate to correspond to the first divided gas diffusion layer; a first partition member provided on the first separation plate and independently partitioning the first manifold flow path to correspond to the first divided gas diffusion layer; a plurality of second manifold passages provided in the second separation plate to correspond to the second divided gas diffusion layer; and a second partition member provided on the second separation plate and independently partitioning the second manifold passage to correspond to the second divided gas diffusion layer.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 안정성 및 내구성을 높이고, 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.As described above, according to an embodiment of the present invention, advantageous effects of improving stability and durability, and improving performance and operating efficiency can be obtained.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 요구되는 조건 및 사용 환경에 따라 연료전지 스택에서 반응기체가 반응하는 반응 면적을 선택적으로 가변시킬 수 있다.In particular, according to an embodiment of the present invention, a reaction area in which a reactive gas reacts in a fuel cell stack may be selectively varied according to required conditions and use environments.
무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따르면 하나의 단위셀을 전기적으로 병렬로 연결되는 복수개의 반응셀로 구획하고, 각 반응셀이 각각 독립적으로 발전하도록 하는 것에 의하여, 성능 및 작동 효율을 최적화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.Above all, according to an embodiment of the present invention, one unit cell is partitioned into a plurality of reaction cells electrically connected in parallel, and each reaction cell independently generates electricity, thereby optimizing performance and operational efficiency. effect can be obtained.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택의 열화 및 내구성 저하를 최소화할 수 있는 조건(전압을 적정 범위로 유지하는 상태)로 발전을 수행할 수 있으며, 고전압 전력 변환 장치의 사용을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, power generation can be performed under conditions that can minimize deterioration and durability of the fuel cell stack (a state in which the voltage is maintained in an appropriate range), and the use of a high voltage power conversion device is minimized. favorable effects can be obtained.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택의 출력을 향상시킬 수 있으며, 운전 조건(출력)에 따라 연료전지 스택의 전압을 보다 다양하게 변경할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the output of the fuel cell stack can be improved, and the voltage of the fuel cell stack can be changed more diversely according to driving conditions (output).
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 운전 조건에 따라 단위 반응 면적당 반응 기체 공급 유량 및 압력을 최적화하고, 냉각수 공급 유량을 최적화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to obtain advantageous effects of optimizing the flow rate and pressure of the reactant gas per unit reaction area according to operating conditions and optimizing the flow rate of cooling water.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택의 수명을 연장할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the life of a fuel cell stack can be extended.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택으로서, 제1단위셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택으로서, 제2단위셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 전기 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택으로서, 개폐유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택으로서, 개폐유닛의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택으로서, 냉각수 유로를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
2 is a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, and is a diagram for explaining a first unit cell.
3 is a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, and is a diagram for explaining a second unit cell.
4 is a cross-sectional view for explaining a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram for explaining an electric circuit of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
6 is a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, a view for explaining an open/close unit.
7 is a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, a view for explaining a modified example of an open/close unit.
8 is a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, and is a diagram for explaining a cooling water flow path.
9 to 11 are views for explaining a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.However, the technical idea of the present invention is not limited to some of the described embodiments and can be implemented in various different forms, and if it is within the scope of the technical idea of the present invention, one or more of the components among the embodiments can be selectively selected. can be used by combining and substituting.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.In addition, terms (including technical and scientific terms) used in the embodiments of the present invention, unless explicitly specifically defined and described, can be generally understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. It can be interpreted as meaning, and commonly used terms, such as terms defined in a dictionary, can be interpreted in consideration of contextual meanings of related technologies.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.Also, terms used in the embodiments of the present invention are for describing the embodiments and are not intended to limit the present invention.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In this specification, the singular form may also include the plural form unless otherwise specified in the phrase, and when described as "at least one (or more than one) of A and (and) B and C", A, B, and C are combined. may include one or more of all possible combinations.
또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.In addition, in describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), (b) may be used.
이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.These terms are only used to distinguish the component from other components, and the term is not limited to the nature, sequence, or order of the corresponding component.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.And, when a component is described as being 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component is not only directly connected to, coupled to, or connected to the other component, but also with the component. It may also include the case of being 'connected', 'combined', or 'connected' due to another component between the other components.
또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In addition, when it is described as being formed or disposed on the "top (above) or bottom (bottom)" of each component, the top (top) or bottom (bottom) is not only the case where two components are in direct contact with each other, but also one A case in which another component above is formed or disposed between the two components is also included. In addition, when expressed as "upper (above) or lower (down)", it may include not only an upward direction but also a downward direction based on one component.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(10)은, 전기적으로 병렬로 연결되되 독립적으로 발전 가능하게 마련되는 복수개의 제1반응셀(110)을 포함하는 제1단위셀(100); 및 전기적으로 병렬로 연결되되 독립적으로 발전 가능하게 마련되는 복수개의 제2반응셀(210)을 포함하며, 제1단위셀(100)과 전기적으로 직렬로 연결되게 제1단위셀(100)에 적층되는 제2단위셀(200);을 포함한다.1 to 9, a
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(10)은, 차량, 선박, 항공 등과 같은 다양한 모빌리티(mobility)에 적용될 수 있으며, 연료전지 스택(10)이 적용되는 피대상체(모빌리티)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것을 아니다.For reference, the
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(10)이 전기 에너지로 구동력을 얻는 하이브리드 차량 및/또는 전기 자동차와 같은 친환경 차량에 적용되는 예를 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, an example in which the
참고로, 연료전지 스택(10)은, 복수개의 연료전지 셀(예를 들어, 제1단위셀및 제2단위셀)을 기준 방향(예를 들어, 상하 방향)으로 적층한 후, 그 양단(최외각 단부)에 엔드플레이트(도 7의 300 참조)를 체결하여 구성될 수 있다.For reference, in the
이하에서는 연료전지 스택(10)이, 제1단위셀(100) 및 제2단위셀(200)을 포함하는 예를 들어 설명하기로 한다. 단위셀(연료전지 셀)의 적층 개수는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 단위셀의 적층 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3개 이상의 단위셀을 적층하여 연료전지 스택을 구성하는 것도 가능하다.Hereinafter, an example in which the
도 2 및 도 4를 참조하면, 제1단위셀(100)은 독립적으로 모듈화된 하나의 연료전지 셀을 구성한다.Referring to FIGS. 2 and 4 , the
보다 구체적으로, 제1단위셀(100)은 독립적으로 발전 가능한 복수개의 제1반응셀(110)을 전기적으로 병렬로 연결(모듈화)하여 구성된다.More specifically, the
여기서, 제1반응셀(110)이라 함은, 독립적으로 전기를 생산 가능한 최소 연료전지 셀(최소 반응 면적)로 이해될 수 있다.Here, the
제1단위셀(100)을 구성하는 제1반응셀(110)의 개수는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1반응셀(110)의 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The number of
이하에서는 제1단위셀(100)이 전기적으로 병렬로 연결되는 4개의 반응셀을 포함하는 예를 들어 설명하기로 한다. 다르게는 제1단위셀이 3개 이하의 반응셀을 포함하거나, 5개 이상의 반응셀을 포함하는 것도 가능하다.Hereinafter, an example in which the
제1단위셀(100)은 복수개의 제1반응셀(110)을 포함하는 다양한 구조로 제공될 수 있다.The
일 예로, 제1단위셀(100)은, 복수개의 제1반응셀(110)에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제1분할막전극접합체(112a)를 포함하는 제1막전극접합체유닛(112), 복수개의 제1분할막전극접합체(112a)를 공통적으로 덮도록 제1막전극접합체유닛(112)에 적층되는 제1기체확산층(114), 및 복수개의 제1분할막전극접합체(112a)에 대응되게 제1기체확산층(114)에 적층되는 복수개의 제1분할분리판(116a)을 포함하는 제1분리판유닛(116)을 포함할 수 있다.For example, the
제1막전극접합체유닛(first membrane electrode unit)(112)은, 제1반응셀(110)에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제1분할막전극접합체(112a)를 포함한다.The first
여기서, 복수개의 제1분할막전극접합체(112a)가 독립적으로 분할된다 함은, 복수개의 제1분할막전극접합체(112a)가 전기적으로 서로 분리되는 것으로 이해될 수 있다.Here, the independent division of the plurality of first divided
이하에서는 대략 직사각형 형태를 갖는 4개의 제1분할막전극접합체(112a)가 동일 평면을 이루도록 배치된 예를 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, an example in which four first divided
제1분할막전극접합체(112a)는 제1반응기체인 연료(예를 들어, 수소)와 제2반응기체인 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하도록 마련된다.The first split
제1분할막전극접합체(112a)의 구조 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1분할막전극접합체(112a)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The structure and material of the first partition
일 예로, 제1분할막전극접합체(112a)는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 전해질막의 양면에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층을 부착하여 구성될 수 있다.For example, the first split
복수개의 제1분할막전극접합체(112a)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 분할될 수 있다.The plurality of first partitioned
일 예로, 연료전지 스택(10)은, 제1막전극접합체유닛(112)에 마련되며 제1분할막전극접합체(112a)를 독립적으로 구획하는 제1실링부재(310)를 포함할 수 있으며, 제1실링부재(310)를 매개로 복수개의 제1분할막전극접합체(112a)가 독립적으로 분할될 수 있다.For example, the
보다 구체적으로, 제1실링부재(310)는, 제1막전극접합체유닛(112)의 가장자리를 따라 마련되는 제1가장자리 실링부(312), 및 서로 인접한 제1분할막전극접합체(112a)의 사이(경계)에 마련되며 제1가장자리 실링부(312)에 연결되는 제1중간 실링부(314)를 포함할 수 있다.More specifically, the
제1실링부재(310)는 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 제1실링부재(310)의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The
제1기체확산층(first gas diffusion layer)(114)은, 반응기체(수소 또는 공기)들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하도록, 제1막전극접합체유닛(112)의 양면에 적층된다.The first
제1기체확산층(114)은 복수개의 제1분할막전극접합체(112a)를 공통적으로(전체적으로) 덮을 수 있는 단 하나의 확산층으로 구성된다.The first
제1기체확산층(114)은 반응기체를 확산시킬 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 제1기체확산층(114)은 소정 사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조로 제공될 수 있다.The first
제1기체확산층(114)의 기공 사이즈 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1기체확산층(114)의 기공 사이즈 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The pore size and material of the first
제1분리판유닛(116)은, 제1분할막전극접합체(112a)에 대응되게 제1기체확산층(114)에 적층되는 복수개의 제1분할분리판(116a)을 포함한다.The
이하에서는 대략 직사각형 형태를 갖는 4개의 제1분할분리판(116a)이 제1분할막전극접합체(112a)에 각각 적층되는 예를 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, an example in which four first divided
제1분할분리판(116a)은 수소와 공기를 차단하는 역할 외에, 공기의 유로 확보 및 외부 회로에 전류를 전달하는 역할을 수행하도록 마련된다.The
또한, 제1분할분리판(116a)은 제1반응셀(110)에서 발생된 열을 제1반응셀(110) 전체에 분배하는 역할도 하며, 과도하게 발생된 열은 제1분할분리판(116a)의 냉각유로(도 8의 117 참조)를 따라 이동하는 냉각수에 의해 외부로 배출될 수 있다.In addition, the
본 발명의 실시예에서 제1분할분리판(116a)이라 함은, 연료인 수소의 유로를 형성하는 애노드 분리판, 및 산화제인 공기의 유로를 형성하는 캐소드 분리판을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the
일 예로, 제1분할분리판(116a)은 박막 금속(예를 들어, 스테인리스, 인코넬, 알루미늄)으로 형성될 수 있다. 제1분할분리판(116a)은 제1분할막전극접합체(112a)와 함께 하나의 반응셀을 이루며 서로 독립적으로 수소, 공기, 냉각수의 유로를 형성할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1분할분리판을 흑연 또는 탄소복합소재 등과 같은 여타 다른 재질로 형성하는 것도 가능하다.For example, the
복수개의 제1분할분리판(116a)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 분할될 수 있다.The plurality of first division/
일 예로, 연료전지 스택(10)은, 제1분리판유닛(116)에 마련되며 제1분할분리판(116a)을 독립적으로 구획하는 제2실링부재(320)를 포함할 수 있으며, 제2실링부재(320)를 매개로 복수개의 제1분할분리판(116a)이 독립적으로 분할될 수 있다.For example, the
보다 구체적으로, 제2실링부재(320)는, 제1분리판유닛(116)의 가장자리를 따라 마련되는 제2가장자리 실링부(322), 및 서로 인접한 제1분할막전극접합체(112a)의 사이(경계)에 마련되며 제2가장자리 실링부(322)에 연결되는 제2중간 실링부(324)를 포함할 수 있다.More specifically, the
제2실링부재(320)는 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 제2실링부재(320)의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The
참고로, 연료인 수소와 산화제인 공기가 제1분할분리판(116a)(캐소드 분리판 및 애노드 분리판)의 채널(미도시)을 통해 제1분할막전극접합체(112a)의 애노드(미도시)와 캐소드(미도시)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급될 수 있다.For reference, hydrogen as a fuel and air as an oxidizing agent pass through a channel (not shown) of the
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구비된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 제1기체확산층(114)과 제1분할분리판(116a)을 통해 캐소드로 전달된다.Hydrogen supplied to the anode is decomposed into protons and electrons by the catalysts of the electrode layers provided on both sides of the electrolyte membrane, and only hydrogen ions are selectively transferred to the cathode through the electrolyte membrane, which is a cation exchange membrane. , At the same time, electrons are transferred to the cathode through the first
캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 제1분할분리판(116a)을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the
도 3 및 도 4를 참조하면, 제2단위셀(200)은 제1단위셀(100)과 독립적으로 모듈화된 하나의 연료전지 셀을 구성한다.Referring to FIGS. 3 and 4 , the
보다 구체적으로, 제2단위셀(200)은 독립적으로 발전 가능한 복수개의 제2반응셀(210)을 전기적으로 병렬로 연결(모듈화)하여 구성된다.More specifically, the
여기서, 제2반응셀(210)이라 함은, 독립적으로 전기를 생산 가능한 최소 연료전지 셀(최소 반응 면적)로 이해될 수 있다.Here, the
제2단위셀(200)을 구성하는 제2반응셀(210)의 개수는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2반응셀(210)의 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The number of
이하에서는 제2단위셀(200)이 제1단위셀(100)과 동일한 구조로 형성된 예를 들어 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제2단위셀과 제1단위셀을 서로 다른 구조로 형성하는 것도 가능하다.Hereinafter, an example in which the
일 예로, 제2단위셀(200)은 전기적으로 병렬로 연결되는 4개의 반응셀을 포함하여 구성될 수 있다. 다르게는 제2단위셀이 3개 이하의 반응셀을 포함하거나, 5개 이상의 반응셀을 포함하는 것도 가능하다.For example, the
제2단위셀(200)은 복수개의 제2반응셀(210)을 포함하는 다양한 구조로 제공될 수 있다.The
일 예로, 제2단위셀(200)은, 복수개의 제2반응셀(210)에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제2분할막전극접합체(212a)를 포함하는 제2막전극접합체유닛(212), 복수개의 제2분할막전극접합체(212a)를 공통적으로 덮도록 제2막전극접합체유닛(212)에 적층되는 제2기체확산층(214), 및 복수개의 제2분할막전극접합체(212a)에 대응되게 제2기체확산층(214)에 적층되는 복수개의 제2분할분리판(216a)을 포함하는 제2분리판유닛(216)을 포함할 수 있다.For example, the
제2막전극접합체유닛(second membrane electrode unit)(212)은, 제2반응셀(210)에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제2분할막전극접합체(212a)를 포함한다.The second
여기서, 복수개의 제2분할막전극접합체(212a)가 독립적으로 분할된다 함은, 복수개의 제2분할막전극접합체(212a)가 전기적으로 서로 분리되는 것으로 이해될 수 있다.Here, the independent division of the plurality of second divided
이하에서는 대략 직사각형 형태를 갖는 4개의 제2분할막전극접합체(212a)가 동일 평면을 이루도록 배치된 예를 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, an example in which four second divided
제2분할막전극접합체(212a)는 제1반응기체인 연료(예를 들어, 수소)와 제2반응기체인 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하도록 마련된다.The second split
제2분할막전극접합체(212a)의 구조 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2분할막전극접합체(212a)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The structure and material of the second partition
일 예로, 제2분할막전극접합체(212a)는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 전해질막의 양면에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층을 부착하여 구성될 수 있다.For example, the second split
복수개의 제2분할막전극접합체(212a)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 분할될 수 있다.The plurality of second divided
일 예로, 연료전지 스택(10)은, 제2막전극접합체유닛(212)에 마련되며 제2분할막전극접합체(212a)를 독립적으로 구획하는 제3실링부재(330)를 포함할 수 있으며, 제3실링부재(330)를 매개로 복수개의 제2분할막전극접합체(212a)가 독립적으로 분할될 수 있다.For example, the
보다 구체적으로, 제3실링부재(330)는, 제2막전극접합체유닛(212)의 가장자리를 따라 마련되는 제3가장자리 실링부(332), 및 서로 인접한 제2분할막전극접합체(212a)의 사이(경계)에 마련되며 제3가장자리 실링부(332)에 연결되는 제3중간 실링부(334)를 포함할 수 있다.More specifically, the
제3실링부재(330)는 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 제3실링부재(330)의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The
제2기체확산층(second gas diffusion layer)(214)은, 반응기체(수소 또는 공기)들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하도록, 제2막전극접합체유닛(212)의 양면에 적층된다.The second
제2기체확산층(214)은 복수개의 제2분할막전극접합체(212a)를 공통적으로(전체적으로) 덮을 수 있는 단 하나의 확산층으로 구성된다.The second
제2기체확산층(214)은 반응기체를 확산시킬 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 제2기체확산층(214)은 소정 사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조로 제공될 수 있다.The second
제2기체확산층(214)의 기공 사이즈 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2기체확산층(214)의 기공 사이즈 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The pore size and material of the second
제2분리판유닛(216)은, 제2분할막전극접합체(212a)에 대응되게 제2기체확산층(214)에 적층되는 복수개의 제2분할분리판(216a)을 포함한다.The
이하에서는 대략 직사각형 형태를 갖는 4개의 제2분할분리판(216a)이 제2분할막전극접합체(212a)에 각각 적층되는 예를 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, an example in which four
제2분할분리판(216a)은 수소와 공기를 차단하는 역할 외에, 공기의 유로 확보 및 외부 회로에 전류를 전달하는 역할을 수행하도록 마련된다.The
또한, 제2분할분리판(216a)은 제2반응셀(210)에서 발생된 열을 제2반응셀(210) 전체에 분배하는 역할도 하며, 과도하게 발생된 열은 제2분할분리판(216a)의 냉각유로(도 8의 217 참조)를 따라 이동하는 냉각수에 의해 외부로 배출될 수 있다.In addition, the
본 발명의 실시예에서 제2분할분리판(216a)이라 함은, 연료인 수소의 유로를 형성하는 애노드 분리판, 및 산화제인 공기의 유로를 형성하는 캐소드 분리판을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the
일 예로, 제2분할분리판(216a)은 박막 금속(예를 들어, 스테인리스, 인코넬, 알루미늄)으로 형성될 수 있다. 제2분할분리판(216a)은 제2분할막전극접합체(212a)와 함께 하나의 반응셀을 이루며 서로 독립적으로 수소, 공기, 냉각수의 유로를 형성할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2분할분리판을 흑연 또는 탄소복합소재 등과 같은 여타 다른 재질로 형성하는 것도 가능하다.For example, the
복수개의 제2분할분리판(216a)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 분할될 수 있다.The plurality of
일 예로, 연료전지 스택(10)은, 제2분리판유닛(216)에 마련되며 제2분할분리판(216a)을 독립적으로 구획하는 제4실링부재(340)를 포함할 수 있으며, 제4실링부재(340)를 매개로 복수개의 제2분할분리판(216a)이 독립적으로 분할될 수 있다.For example, the
보다 구체적으로, 제4실링부재(340)는, 제2분리판유닛(216)의 가장자리를 따라 마련되는 제4가장자리 실링부(342), 및 서로 인접한 제2분할분리판(216a)의 사이(경계)에 마련되며 제4가장자리 실링부(342)에 연결되는 제4중간 실링부(344)를 포함할 수 있다.More specifically, the
제4실링부재(340)는 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 제4실링부재(340)의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The
참고로, 연료인 수소와 산화제인 공기가 제2분할분리판(216a)(캐소드 분리판 및 애노드 분리판)의 채널(미도시)을 통해 제2분할막전극접합체(212a)의 애노드(미도시)와 캐소드(미도시)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급될 수 있다.For reference, hydrogen as a fuel and air as an oxidizing agent pass through a channel (not shown) of the
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구비된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 제2기체확산층(214)과 제2분할분리판(216a)을 통해 캐소드로 전달된다.Hydrogen supplied to the anode is decomposed into protons and electrons by the catalysts of the electrode layers provided on both sides of the electrolyte membrane, and only hydrogen ions are selectively transferred to the cathode through the electrolyte membrane, which is a cation exchange membrane. , At the same time, electrons are transferred to the cathode through the second
캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 제2분할분리판(216a)을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 스택(10)은, 복수개의 제1분할분리판(116a) 중 적어도 어느 하나에 연결되는 제1전압 모니터링 단자(410), 및 복수개의 제2분할분리판(216a) 중 적어도 어느 하나에 연결되는 제2전압 모니터링 단자(420)를 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the
제1전압 모니터링 단자(410)는 제1반응셀(110) 별로 구획된 제1분할분리판(116a)의 전압을 모니터링하기 위해 마련되고, 제2전압 모니터링 단자(420)는, 제2반응셀(210) 별로 구획된 제2분할분리판(216a)의 전압을 모니터링하기 위해 마련된다.The first
일 예로, 제1전압 모니터링 단자(410)는 복수개의 제1분할분리판(116a)에 각각 개별적으로 연결될 수 있고, 제2전압 모니터링 단자(420)는 복수개의 제2분할분리판(216a)에 각각 개별적으로 연결될 수 있다.For example, the first
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 복수개의 단위셀(제1단위셀 및 제2단위셀)을 전기적으로 직렬로 연결하되, 각각의 단위셀(제1단위셀 및 제2단위셀)이 전기적으로 병렬로 연결되도록 구획된 복수개의 반응셀(제1반응셀 및 제2반응셀)을 포함하는 것에 의하여, 사용 환경에 따라 실제 발전(전기화학반응)이 행해지는 반응셀의 개수가 증감(반응 면적을 가변)시켜 연료전지 스택(10)의 출력을 조절하는 것이 가능하다.As such, in the embodiment of the present invention, a plurality of unit cells (first unit cell and second unit cell) are electrically connected in series, but each unit cell (first unit cell and second unit cell) is electrically By including a plurality of reaction cells (first reaction cell and second reaction cell) partitioned to be connected in parallel, the number of reaction cells in which actual power generation (electrochemical reaction) is performed increases or decreases (reactions It is possible to adjust the output of the
도 5를 참조하면, 연료전지 스택(10)의 부분 발전은, 연료전지 스택(10)의 집전판(미도시) 및 반응기체의 분배를 통해 복수개의 제1반응셀(110) 및 제2반응셀(210) 중 어느 것에서 전류를 발생시킬지를 제어하여 행해질 수 있다.Referring to FIG. 5 , partial power generation of the
이때, 복수개의 제1반응셀(110) 및 제2반응셀(210)은 전기적으로 병렬로 연결되어 있으므로, 각 반응셀(제1반응셀 및 제2반응셀)의 전압(Vcell)은 서로 동일(V1=V2=V3=V4)하고, 전류(Acell)는 실제 발전이 행해지는 반응셀의 개수에 따라서 증감(예를 들어, Acell=A1+A2+A3+A4)할 수 있으며, 각 반응셀의 전압(Vcell) 및 전류(Acell)에 기초하여 연료전지 스택(10)의 출력(Wcell=Vcell Х Acell)이 결정될 수 있다. 참고로, 연료전지 스택(10)의 총 전압(Vtotal)은 각 반응셀의 전압을 합한 값(Vcell1+Vcell2+ ... +Vcelln=Vtotal)으로 결정되고, 연료전지 스택(10)의 총 전류(A)는 각 반응셀의 전류값과 동일(Acell1= Acell2 = ... = Acelln=A)하게 결정된다.At this time, since the plurality of
예를 들어, 연료전지 스택(10)의 저출력이 요구되는 경우에는, 복수개의 제1반응셀(110) 및 제2반응셀(210)의 일부만을 실제 발전에 사용(부분 발전)하게 되므로, 실제 발전이 행해지는 반응셀의 전류밀도는 상대적으로 높게 유지될 수 있다.For example, when low power of the
가령, 최대 출력이 1.6W인 단위셀(제1단위셀 및 제2단위셀)에서 0.4W만을 출력할 시, 단위셀(제1단위셀 및 제2단위셀)의 부분 발전을 통하여 반응 면적 조절을 조절하는 것에 의하여, 실제 발전이 행해지는 반응영역(반응셀)의 전류밀도를 높게 유지할 수 있으므로, 연료전지 스택(10)의 저출력 운전시, 연료전지 스택(10)에 고전압을 인가하지 않아도 된다.For example, when only 0.4W is output from a unit cell (first unit cell and second unit cell) with a maximum output of 1.6W, response area control through partial power generation of unit cell (first unit cell and second unit cell) Since the current density of the reaction region (reaction cell) where actual power generation is performed can be maintained high by adjusting the current density, it is not necessary to apply a high voltage to the
이와 같이, 연료전지 스택(10)의 저출력 운전시, 연료전지 스택(10)에 고전압이 인가되는 것을 억제할 수 있으므로, 고전압 인가에 따른 연료전지 스택(10)의 열화 발생을 억제하고 내구성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.In this way, it is possible to suppress the application of high voltage to the
반면, 연료전지 스택(10)의 고출력이 요구되는 경우에는, 연료전지 스택(10)의 부분 발전 영역을 전체 영역(예를 들어, 모든 반응셀)으로 확장(실제 발전이 행해지는 반응셀의 개수를 증가)시킴으로써, 전압을 일정하게 유지한 상태에서 각 단위셀의 전류를 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 연료전지 스택(10)의 전체 출력을 증가시킬 수 있다.On the other hand, when high output of the
또한, 연료전지 시스템의 필요 출력의 변화가 요구되는 경우에는, 연료전지 스택(10)의 부분 발전 영역을 변화(실제 발전이 행해지는 반응셀의 개수를 변화)시킴으로써, 각 반응셀에 인가되는 전압의 범위를 좁히고 각 반응셀의 발생 전류를 증감시켜 요구되는 출력(필요 출력)에 대응할 수 있으므로, 연료전지 스택(10)의 열화 및 내구성 저하를 최소화할 수 있는 조건(전압을 적정 범위로 유지하는 상태)로 발전을 수행할 수 있고, 고전압 전력 변환 장치의 사용을 배제할 수 있다.In addition, when a change in the required output of the fuel cell system is required, the voltage applied to each reaction cell is changed by changing the partial power generation area of the fuel cell stack 10 (the number of reaction cells in which power is actually generated). Since it is possible to respond to the required output (required output) by narrowing the range of and increasing or decreasing the current generated by each reaction cell, the condition (maintaining the voltage in an appropriate range) to minimize deterioration and durability of the
도 2, 도 3 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 스택(10)은, 제1분할분리판(116a)에 각각 마련되는 제1매니폴드유로(118), 제2분할분리판(216a)에 각각 마련되며 제1매니폴드유로(118)와 연통되는 제2매니폴드유로(218), 및 제1분할분리판(116a) 및 제2분할분리판(216a) 별로 제1매니폴드유로(118) 및 제2매니폴드유로(218)를 개폐 가능하게 마련되는 개폐유닛(500)을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 2, 3, and 6, according to a preferred embodiment of the present invention, the
일 예로, 제1매니폴드유로(118)는 복수개의 제1분할분리판(116a)의 단부에 각각 형성될 수 있고, 제1매니폴드유로(118)를 거쳐 각 제1반응셀(110)에는 반응기체(수소 또는 공기)가 공급될 수 있다.For example, the
제2매니폴드유로(218)는 복수개의 제2분할분리판(216a)의 단부에 각각 형성될 수 있고, 제2매니폴드유로(218)를 거쳐 각 제1반응셀(110)에는 반응기체(수소 또는 공기)가 공급될 수 있다.The
개폐유닛(500)은 제1분할분리판(116a) 및 제2분할분리판(216a) 별로 제1매니폴드유로(118) 및 제2매니폴드유로(218)를 개별적으로 개폐 가능하게 마련된다.The opening/
여기서, 제1매니폴드유로(118) 및 제2매니폴드유로(218)를 개폐한다 함은, 제1매니폴드유로(118) 및 제2매니폴드유로(218)를 통해 유동하는 반응기체의 흐름을 단속(on/off)하거나, 반응기체의 유량을 조절하는 것을 모두 포함하는 것으로 정의된다.Here, opening and closing the
개폐유닛(500)은 제1매니폴드유로(118) 및 제2매니폴드유로(218)를 개별적으로 개폐 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 개폐유닛(500)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The opening/
일 예로, 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 스택(10)은, 제1단위셀(100) 및 제2단위셀(200)의 최외각 단부에 체결되며, 제1매니폴드유로(118) 및 제2매니폴드유로(218)와 연통되는 복수개의 연통유로(302)가 형성된 엔드플레이트(300)를 포함하되, 개폐유닛(500)은, 연통유로(302)를 각각 개별적으로 개폐 가능하게 엔드플레이트(300)에 마련되는 복수개의 개폐밸브(510)를 포함할 수 있다.For example, referring to FIG. 6 , according to a preferred embodiment of the present invention, the
개폐밸브(510)로서는 연통유로(302)를 선택적으로 개폐 가능한 통상의 밸브가 사용될 수 있으며, 개폐밸브(510)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 개폐밸브(510)로서는 통상의 솔레노이드 밸브가 사용될 수 있다.As the on-off
이와 같이, 제1매니폴드유로(118) 및 제2매니폴드유로(218)와 연통되는 복수개의 연통유로(302)가 개폐밸브(510)에 의해 개별적으로 개폐되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택(10)의 부분 발전시, 복수개의 제1반응셀(110) 및 제2반응셀(210) 중 실제 발전이 행해지는 반응셀로만 반응기체를 공급(또는 반응기체의 유량 조절)하는 것이 가능하다.In this way, by individually opening and closing the plurality of
더욱이, 연료전지 스택(10)에는 전체 반응셀(제1반응셀 및 제2반응셀)에 공급될 수 있는 유량만큼 반응기체가 공급되는데, 연료전지 스택(10)의 부분 발전시에는 실제 발전이 행해지는 반응셀로만 반응기체가 공급될 수 있으므로, 단위 반응면적 당 반응기체의 공급 유량(실제 발전이 행해지는 반응셀에 공급되는 반응기체의 공급 유량)에 대한 가용 범위가 넓어져, 저출력 운전에 의한 플러딩(flooding) 현상 발생시 생성수(응축수) 배출에 유리한 반응기체 공급 유량 및 압력 조건(또는 건조 현상 발생시 보다 많은 수분을 적체시킬 수 있는 조건)으로 연료전지 스택(10)을 운전하는 것이 가능하며, 연료전지 스택(10)의 전압을 보다 안정적으로 유지할 수 있다.Moreover, the reaction gas is supplied to the
다른 일 예로, 도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 스택(10)은, 제1단위셀(100) 및 제2단위셀(200)의 최외각 단부에 체결되며, 제1매니폴드유로(118) 및 제2매니폴드유로(218)와 연통되는 복수개의 연통유로(302)가 형성된 엔드플레이트(300); 및 엔드플레이트(300)의 단부에 마련되되, 연통유로(302)와 개별적으로 연통되는 복수개의 가이드유로(402)를 포함하는 매니폴드블록(400);을 포함하되, 개폐유닛(500)은, 가이드유로(402)를 각각 개별적으로 개폐 가능하게 매니폴드블록(400)에 마련되는 복수개의 개폐밸브(510')를 포함할 수 있다.As another example, referring to FIG. 7 , according to a preferred embodiment of the present invention, the
개폐밸브(510')로서는 가이드유로(402)를 선택적으로 개폐 가능한 통상의 밸브 또는 조절부재가 사용될 수 있으며, 개폐밸브(510')의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 개폐밸브(510')로서는 통상의 솔레노이드 밸브가 사용될 수 있다.As the opening/closing valve 510', a conventional valve or control member capable of selectively opening and closing the
도 8를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 스택(10)은, 제1분리판유닛(116)에 마련되며 복수개의 제1분할분리판(116a)에 대응되게 독립적으로 구획되는 복수개의 제1냉각수유로(117), 및 제2분리판유닛(216)에 마련되며 복수개의 제2분할분리판(216a)에 대응되게 독립적으로 구획되는 복수개의 제2냉각수유로(217)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 8 , according to a preferred embodiment of the present invention, the
일 예로, 복수개의 제1냉각수유로(117)는 제1분리판유닛(116)에 마련되는 제1가스켓(610)에 의해 제1분할분리판(116a)에 대응되게 독립적으로 구획(분리)될 수 있고, 복수개의 제2냉각수유로(217)는 제2분리판유닛(216)에 마련되는 제2가스켓(620)에 의해 제2분할분리판(216a)에 대응되게 독립적으로 구획(분리)될 수 있다.For example, the plurality of
이와 같이, 제1단위셀(100)의 제1냉각수유로(117)가 복수개의 제1분할분리판(116a) 별로 구획되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택(10)의 전체 반응셀(제1반응셀 및 제2반응셀) 중 일부를 이용한 부분 발전시에는, 복수개의 제1분할분리판(116a) 중 일부(실제 발전이 행해지는 제1반응셀)에만 부분적으로 냉객수의 공급을 허용(O)하고, 복수개의 제1분할분리판(116a) 중 다른 일부(발전이 행해지지 않는 제1반응셀)에는 냉각수의 공급을 차단(X)하는 것이 가능하다.In this way, the first
마찬가지로, 연료전지 스택(10)의 부분 발전시에는, 복수개의 제2분할분리판(216a) 중 일부(실제 발전이 행해지는 제2반응셀)에만 부분적으로 냉객수의 공급을 허용(O)하고, 복수개의 제2분할분리판(216a) 중 다른 일부(발전이 행해지지 않는 제2반응셀)에는 냉각수의 공급을 차단(X)하는 것이 가능하다.Similarly, during partial power generation of the
참고로, 연료전지 스택(10)의 전체 반응셀(제1반응셀 및 제2반응셀)에서 발전이 행해지는 경우에는, 저전류 조건으로 전체 반응셀에서 발전이 행해지므로 연료전지 스택(10)의 발열이 비교적 낮게 나타날 수 있다.For reference, when power is generated in all reaction cells (first reaction cell and second reaction cell) of the
반면, 연료전지 스택(10)의 전체 반응셀(제1반응셀 및 제2반응셀) 중 일부를 이용한 부분 발전시에는, 상대적으로 높은 전류를 사용하기 때문에, 실제 발전이 행해지는 반응셀(제1반응셀 및 제2반응셀)의 온도가 비교적 높게 상승할 수 있지만, 본 발명의 실시예에 따르면, 발열이 높게 나타나는 반응셀(제1반응셀 및 제2반응셀)에 냉각수를 집중적으로 공급하는 것이 가능하므로, 연료전지 스택(10)의 과열을 억제할 수 있다.On the other hand, in the case of partial power generation using some of the entire reaction cells (first reaction cell and second reaction cell) of the
또한, 연료전지 스택(10)에는 전체 반응셀(제1반응셀 및 제2반응셀)에 공급될 수 있는 유량만큼 냉각수가 공급되는데, 연료전지 스택(10)의 부분 발전시에는 실제 발전이 행해지는 반응셀로만 냉각수가 공급될 수 있으므로, 단위 반응면적 당 냉각수의 공급 유량(실제 발전이 행해지는 반응셀에 공급되는 냉각수의 공급 유량)에 대한 가용 범위가 넓어져, 냉각 용량의 여유를 확보할 수 있으므로, 고전류를 사용하는 반응셀의 온도 상승에 따른 전류 제한에 보다 유연하게 대응할 수 있다.In addition, cooling water is supplied to the
한편, 연료전지 스택(10)의 냉시동시(또는 초기 시동시)에는, 연료전지 스택(10)의 전체 반응셀(제1반응셀 및 제2반응셀)에서 발전이 행해지지 않고, 연료전지 스택(10)의 전체 반응셀(제1반응셀 및 제2반응셀) 중 일부에서만 부분적으로 발전이 행해질 수 있다. 이때, 냉각수는 냉매가 아닌 열매(heat medium)로 사용될 수 있는데, 냉각수를 실제 발전이 행해지는 반응셀에 집중적으로 공급하여, 실제 발전이 행해지는 반응셀의 온도를 보다 빠르게 상승시키는 것이 가능하다.On the other hand, during cold startup (or initial startup) of the
한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 복수개의 분할막전극접합체를 공통적으로 덮도록 단 하나의 기체확산층이 마련되고, 복수개의 분할막전극접합체에 대응하여 복수개의 분할분리판이 마련된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수개의 분할막전극접합체에 대응하는 복수개의 분할기체확산층을 마련하고, 단 하나의 분리판이 복수개의 분할기체확산층을 공통적으로 덮도록 구성하는 것도 가능하다.Meanwhile, in the embodiments of the present invention described above and illustrated, for example, a single gas diffusion layer is provided to commonly cover a plurality of split membrane electrode assemblies, and a plurality of divided separator plates are provided corresponding to the plurality of split membrane electrode assemblies. However, according to another embodiment of the present invention, it is also possible to provide a plurality of divided gas diffusion layers corresponding to a plurality of divided membrane electrode assemblies, and configure a single separator plate to cover the plurality of divided gas diffusion layers in common. do.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.9 to 11 are fuel cell stacks according to another embodiment of the present invention. In addition, the same or equivalent reference numerals are given to the same or equivalent parts as the above-described configuration, and a detailed description thereof will be omitted.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.9 to 11 are fuel cell stacks according to another embodiment of the present invention. In addition, the same or equivalent reference numerals are given to the same or equivalent parts as the above-described configuration, and a detailed description thereof will be omitted.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 연료전지 스택(10)은, 전기적으로 병렬로 연결되되 독립적으로 발전 가능하게 마련되는 복수개의 제1반응셀(110')을 포함하는 제1단위셀(100'); 및 전기적으로 병렬로 연결되되 독립적으로 발전 가능하게 마련되는 복수개의 제2반응셀(210')을 포함하며, 제1단위셀(100')과 전기적으로 직렬로 연결되게 제1단위셀(100')에 적층되는 제2단위셀(200');을 포함하되, 제1단위셀(100')은, 복수개의 제1반응셀(110')에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제1분할막전극접합체(112a')를 포함하는 제1막전극접합체유닛(112'), 복수개의 제1분할막전극접합체(112a')에 대응되게 제1막전극접합체유닛(112')에 적층되는 복수개의 제1분할기체확산층(114a')을 포함하는 제1기체확산층유닛(114'), 및 복수개의 제1분할기체확산층(114a')을 공통적으로 덮도록 제1기체확산층유닛(114')에 적층되는 제1분리판(116')을 포함할 수 있다.9 to 11, according to another preferred embodiment of the present invention, the
제1막전극접합체유닛(first membrane electrode unit)(112')은, 제1반응셀(110')에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제1분할막전극접합체(112a')를 포함한다.The first membrane electrode unit 112' includes a plurality of first divided
여기서, 복수개의 제1분할막전극접합체(112a')가 독립적으로 분할된다 함은, 복수개의 제1분할막전극접합체(112a')가 전기적으로 서로 분리되는 것으로 이해될 수 있다.Here, the independent division of the plurality of first partitioned
이하에서는 대략 직사각형 형태를 갖는 4개의 제1분할막전극접합체(112a')가 동일 평면을 이루도록 배치된 예를 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, an example in which four first divided
제1분할막전극접합체(112a')는 제1반응기체인 연료(예를 들어, 수소)와 제2반응기체인 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하도록 마련된다.The first split
제1분할막전극접합체(112a')의 구조 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1분할막전극접합체(112a')의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The structure and material of the first split-
일 예로, 제1분할막전극접합체(112a')는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 전해질막의 양면에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층을 부착하여 구성될 수 있다.For example, the first split
복수개의 제1분할막전극접합체(112a')는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 분할될 수 있다.The plurality of first partitioned
일 예로, 연료전지 스택(10)은, 제1막전극접합체유닛(112')에 마련되며 제1분할막전극접합체(112a')를 독립적으로 구획하는 제1실링부재(310')를 포함할 수 있으며, 제1실링부재(310')를 매개로 복수개의 제1분할막전극접합체(112a')가 독립적으로 분할될 수 있다.For example, the
보다 구체적으로, 제1실링부재(310')는, 제1막전극접합체유닛(112')의 가장자리를 따라 마련되는 제1가장자리 실링부(312'), 및 서로 인접한 제1분할막전극접합체(112a')의 사이(경계)에 마련되며 제1가장자리 실링부(312')에 연결되는 제1중간 실링부(314')를 포함할 수 있다.More specifically, the first sealing member 310' includes the first edge sealing portion 312' provided along the edge of the first membrane electrode assembly unit 112', and the first divided film electrode assembly adjacent to each other ( 112a') may include a first intermediate sealing portion 314' provided between (boundary) and connected to the first edge sealing portion 312'.
제1실링부재(310')는 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 제1실링부재(310')의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The first sealing member 310' may be formed of an elastic material such as rubber, silicone, or urethane, and the present invention is not limited or limited by the material and characteristics of the first sealing member 310'.
제1기체확산층유닛(first gas diffusion layer unit)(114')은, 반응기체(수소 또는 공기)들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하도록, 제1막전극접합체유닛(112')의 양면에 적층된다.The first gas diffusion layer unit 114' is a first membrane electrode assembly unit 112' to evenly distribute reactive gases (hydrogen or air) and deliver the generated electrical energy. ) is laminated on both sides of the
제1기체확산층유닛(114')은 복수개의 제1분할막전극접합체(112a')에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제1분할기체확산층(114a')을 포함한다.The first gas diffusion layer unit 114' includes a plurality of first divided
제1분할기체확산층(114a')은 반응기체를 확산시킬 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 제1분할기체확산층(114a')은 소정 사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조로 제공될 수 있다.The first divided
제1분할기체확산층(114a')의 기공 사이즈 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1분할기체확산층(114a')의 기공 사이즈 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The pore size and material of the first divided
복수개의 제1분할기체확산층(114a')은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 분할될 수 있다.The plurality of first divided
일 예로, 연료전지 스택(10)은, 제1기체확산층유닛(114')에 마련되며 제1분할기체확산층(114a')을 독립적으로 구획하는 제2실링부재(320')를 포함할 수 있으며, 제2실링부재(320')를 매개로 복수개의 제1분할기체확산층(114a')이 독립적으로 분할될 수 있다.For example, the
보다 구체적으로, 제2실링부재(320')는, 서로 인접한 제1분할기체확산층(114a')의 사이(경계)에 마련되는 중간 실링부(322')를 포함할 수 있다.More specifically, the second sealing member 320' may include an intermediate sealing portion 322' provided between adjacent first divided
제2실링부재(320')는 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 제2실링부재(320')의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The second sealing member 320' may be formed of an elastic material such as rubber, silicone, or urethane, and the present invention is not limited or limited by the material and characteristics of the second sealing member 320'.
제1분리판(116')은 복수개의 제1분할기체확산층(114a')을 공통적으로(전체적으로) 덮을 수 있는 하나의 분리판으로 구성되며, 제1기체확산층유닛(114')의 양면에 적층된다.The first separation plate 116' is composed of a single separation plate capable of commonly (entirely) covering a plurality of first divided
제1분리판(116')은 수소와 공기를 차단하는 역할 외에, 공기의 유로 확보 및 외부 회로에 전류를 전달하는 역할을 수행하도록 마련된다.The first separator 116' is provided to perform a role of securing an air flow path and transferring current to an external circuit in addition to a role of blocking hydrogen and air.
또한, 제1분리판(116')은 제1반응셀(110')에서 발생된 열을 제1반응셀(110') 전체에 분배하는 역할도 하며, 과도하게 발생된 열은 제1분리판(116')의 냉각유로(도 8의 117 참조)를 따라 이동하는 냉각수에 의해 외부로 배출될 수 있다.In addition, the first separator 116' serves to distribute the heat generated in the first reaction cell 110' to the entire first reaction cell 110', and the excessively generated heat is removed from the first separator. Cooling water moving along the cooling passage (see 117 in FIG. 8) of 116' may be discharged to the outside.
본 발명의 실시예에서 제1분리판(116')이라 함은, 연료인 수소의 유로를 형성하는 애노드 분리판, 및 산화제인 공기의 유로를 형성하는 캐소드 분리판을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first separator 116' may be defined as including both an anode separator for forming a flow path for hydrogen as a fuel and a cathode separator for forming a flow path for air as an oxidant. there is.
일 예로, 제1분리판(116')은 박막 금속(예를 들어, 스테인리스, 인코넬, 알루미늄)으로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1분리판(116')을 흑연 또는 탄소복합소재 등과 같은 여타 다른 재질로 형성하는 것도 가능하다.For example, the first separator 116' may be formed of thin metal (eg, stainless steel, inconel, or aluminum). According to another embodiment of the present invention, it is also possible to form the first separator 116' with other materials such as graphite or a carbon composite material.
도 10 및 도 11을 참조하면, 제2단위셀(200')은 제1단위셀(100')과 독립적으로 모듈화된 하나의 연료전지 셀을 구성한다.Referring to FIGS. 10 and 11 , the second unit cell 200' constitutes one fuel cell module independently of the first unit cell 100'.
보다 구체적으로, 제2단위셀(200')은 독립적으로 발전 가능한 복수개의 제2반응셀(210')을 전기적으로 병렬로 연결(모듈화)하여 구성된다.More specifically, the second unit cell 200' is configured by electrically connecting (modularizing) a plurality of second reaction cells 210' capable of generating power independently in parallel.
여기서, 제2반응셀(210')이라 함은, 독립적으로 전기를 생산 가능한 최소 연료전지 셀(최소 반응 면적)로 이해될 수 있다.Here, the second reaction cell 210' can be understood as a minimum fuel cell (minimum reaction area) capable of independently generating electricity.
제2단위셀(200')을 구성하는 제2반응셀(210')의 개수는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2반응셀(210')의 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The number of second reaction cells 210' constituting the second unit cell 200' may be variously changed according to required conditions and design specifications, and the number of second reaction cells 210' The invention is not limited or limited.
이하에서는 제2단위셀(200')이 제1단위셀(100')과 동일한 구조로 형성된 예를 들어 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제2단위셀과 제1단위셀을 서로 다른 구조로 형성하는 것도 가능하다.Hereinafter, an example in which the second unit cell 200' has the same structure as that of the first unit cell 100' will be described. According to another embodiment of the present invention, it is also possible to form the second unit cell and the first unit cell to have different structures.
일 예로, 제2단위셀(200')은 전기적으로 병렬로 연결되는 4개의 반응셀을 포함하여 구성될 수 있다. 다르게는 제2단위셀이 3개 이하의 반응셀을 포함하거나, 5개 이상의 반응셀을 포함하는 것도 가능하다.For example, the second unit cell 200' may include four reaction cells electrically connected in parallel. Alternatively, the second unit cell may include 3 or less reaction cells or 5 or more reaction cells.
제2단위셀(200')은 복수개의 제2반응셀(210')을 포함하는 다양한 구조로 제공될 수 있다.The second unit cell 200' may be provided in various structures including a plurality of second reaction cells 210'.
일 예로, 제2단위셀(200')은, 복수개의 제2반응셀(210')에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제2분할막전극접합체(212a')를 포함하는 제2막전극접합체유닛(212'), 복수개의 제2분할막전극접합체(212a')에 대응되게 제2막전극접합체유닛(212')에 적층되는 복수개의 제2분할기체확산층(214a')을 포함하는 제2기체확산층유닛(214'), 및 복수개의 제2분할기체확산층(214a')을 공통적으로 덮도록 제2기체확산층유닛(214')에 적층되는 제2분리판(216')을 포함할 수 있다.For example, the second unit cell 200' is a second membrane electrode assembly including a plurality of second divided
제2막전극접합체유닛(second membrane electrode unit)(212')은, 제2반응셀(210')에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제2분할막전극접합체(212a')를 포함한다.The second membrane electrode unit 212' includes a plurality of second divided
여기서, 복수개의 제2분할막전극접합체(212a')가 독립적으로 분할된다 함은, 복수개의 제2분할막전극접합체(212a')가 전기적으로 서로 분리되는 것으로 이해될 수 있다.Here, the independent division of the plurality of second partitioned
이하에서는 대략 직사각형 형태를 갖는 4개의 제2분할막전극접합체(212a')가 동일 평면을 이루도록 배치된 예를 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, an example in which four second divided
제2분할막전극접합체(212a')는 제1반응기체인 연료(예를 들어, 수소)와 제2반응기체인 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하도록 마련된다.The second split
제2분할막전극접합체(212a')의 구조 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2분할막전극접합체(212a')의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The structure and material of the second
일 예로, 제2분할막전극접합체(212a')는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 전해질막의 양면에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층을 부착하여 구성될 수 있다.For example, the second split
복수개의 제2분할막전극접합체(212a')는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 분할될 수 있다.The plurality of second partitioned
일 예로, 연료전지 스택(10)은, 제2막전극접합체유닛(212')에 마련되며 제2분할막전극접합체(212a')를 독립적으로 구획하는 제3실링부재(330')를 포함할 수 있으며, 제3실링부재(330')를 매개로 복수개의 제2분할막전극접합체(212a')가 독립적으로 분할될 수 있다.For example, the
보다 구체적으로, 제3실링부재(330')는, 제2막전극접합체유닛(212')의 가장자리를 따라 마련되는 제3가장자리 실링부(332'), 및 서로 인접한 제2분할막전극접합체(212a')의 사이(경계)에 마련되며 제3가장자리 실링부(332')에 연결되는 제3중간 실링부(334')를 포함할 수 있다.More specifically, the third sealing member 330' includes the third edge sealing portion 332' provided along the edge of the second membrane electrode assembly unit 212', and the second divided film electrode assembly adjacent to each other ( 212a') and may include a third intermediate sealing portion 334' connected to the third edge sealing portion 332'.
제3실링부재(330')는 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 제3실링부재(330')의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The third sealing member 330' may be formed of an elastic material such as rubber, silicone, or urethane, and the present invention is not limited or limited by the material and characteristics of the third sealing member 330'.
제2기체확산층유닛(214')(second gas diffusion layer unit)은, 반응기체(수소 또는 공기)들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하도록, 제2막전극접합체유닛(212')의 양면에 적층된다.The second gas diffusion layer unit 214' is a second membrane electrode assembly unit 212' so as to evenly distribute reactive gases (hydrogen or air) and deliver the generated electrical energy. ) is laminated on both sides of the
제2기체확산층유닛(214')은 복수개의 제2분할막전극접합체(212a')에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제2분할기체확산층(214a')을 포함한다.The second gas diffusion layer unit 214' includes a plurality of second divided
제2분할기체확산층(214a')은 반응기체를 확산시킬 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 제2분할기체확산층(214a')은 소정 사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조로 제공될 수 있다.The second divided
제2분할기체확산층(214a')의 기공 사이즈 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2분할기체확산층(214a')의 기공 사이즈 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The pore size and material of the second divided
복수개의 제2분할기체확산층(214a')은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 분할될 수 있다.The plurality of second divided
일 예로, 연료전지 스택(10)은, 제2기체확산층유닛(214')에 마련되며 제2분할기체확산층(214a')을 독립적으로 구획하는 제4실링부재(340')를 포함할 수 있으며, 제4실링부재(340')를 매개로 복수개의 제2분할기체확산층(214a')이 독립적으로 분할될 수 있다.For example, the
보다 구체적으로, 제4실링부재(340')는, 서로 인접한 제2분할기체확산층(214a')의 사이(경계)에 마련되는 중간 실링부(342')를 포함할 수 있다.More specifically, the fourth sealing member 340' may include an intermediate sealing portion 342' provided between adjacent second divided
제4실링부재(340')는 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 제4실링부재(340')의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.The fourth sealing member 340' may be formed of an elastic material such as rubber, silicone, or urethane, and the present invention is not limited or limited by the material and characteristics of the fourth sealing member 340'.
제2분리판(216')은 복수개의 제2분할기체확산층(214a')을 공통적으로(전체적으로) 덮을 수 있는 하나의 분리판으로 구성되며, 제2기체확산층유닛(214')의 양면에 적층된다.The second separator 216' is composed of one separator capable of commonly (entirely) covering a plurality of second divided
제2분리판(216')은 수소와 공기를 차단하는 역할 외에, 공기의 유로 확보 및 외부 회로에 전류를 전달하는 역할을 수행하도록 마련된다.The second separator 216' is provided to perform a role of securing an air flow path and transferring current to an external circuit in addition to a role of blocking hydrogen and air.
또한, 제2분리판(216')은 제2반응셀(210')에서 발생된 열을 제2반응셀(210') 전체에 분배하는 역할도 하며, 과도하게 발생된 열은 제2분리판(216')의 냉각유로(도 8의 217 참조)를 따라 이동하는 냉각수에 의해 외부로 배출될 수 있다.In addition, the second separator 216' serves to distribute the heat generated in the second reaction cell 210' to the entirety of the second reaction cell 210', and excessively generated heat is removed from the second separator. Cooling water moving along the cooling passage (see 217 in FIG. 8) of 216' may be discharged to the outside.
본 발명의 실시예에서 제2분리판(216')이라 함은, 연료인 수소의 유로를 형성하는 애노드 분리판, 및 산화제인 공기의 유로를 형성하는 캐소드 분리판을 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the
일 예로, 제2분리판(216')은 박막 금속(예를 들어, 스테인리스, 인코넬, 알루미늄)으로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2분리판을 흑연 또는 탄소복합소재 등과 같은 여타 다른 재질로 형성하는 것도 가능하다.For example, the second separator 216' may be formed of thin metal (eg, stainless steel, inconel, or aluminum). According to another embodiment of the present invention, it is also possible to form the second separator with other materials such as graphite or a carbon composite material.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 연료전지 스택(10)은, 제1분할기체확산층(114a')에 대응되게 제1분리판(116')에 마련되는 복수개의 제1매니폴드유로(118'), 제1분리판(116')에 마련되며 제1분할기체확산층(114a')에 대응되게 제1매니폴드유로(118')를 독립적으로 구획하는 제1구획부재(118a'), 제2분할기체확산층(214a')에 대응되게 제2분리판(216')에 마련되는 복수개의 제2매니폴드유로(218'), 및 제2분리판(216')에 마련되며 제2분할기체확산층(214a')에 대응되게 제2매니폴드유로(218')를 독립적으로 구획하는 제2구획부재(218a')를 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the
일 예로, 제1매니폴드유로(118')는 복수개의 제1분리판(116')의 단부에 각각 형성될 수 있고, 제1구획부재(118a')는 제1매니폴드유로(118')에 인접하게 제1분리판(116')에 마련될 수 있으며, 제1매니폴드유로(118') 및 제1구획부재(118a')를 거쳐 각 제1반응셀(110')에는 반응기체(수소 또는 공기)가 공급될 수 있다.For example, the first manifold flow path 118' may be formed at each end of the plurality of first separator plates 116', and the
제2매니폴드유로(218')는 복수개의 제2분리판(216')의 단부에 각각 형성될 수 있고, 제2구획부재(218a')는 제2매니폴드유로(218')에 인접하게 제2분리판(216')에 마련될 수 있으며, 제2매니폴드유로(218')를 거쳐 각 제2반응셀(210')에는 반응기체(수소 또는 공기)가 공급될 수 있다.The second manifold passage 218' may be formed at each end of the plurality of second separator plates 216', and the
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments, these are merely examples and do not limit the present invention, and those skilled in the art to which the present invention belongs will not deviate from the essential characteristics of the present embodiment. It will be appreciated that various variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified and implemented. And differences related to these variations and applications should be construed as being included in the scope of the present invention as defined in the appended claims.
10 : 연료전지 스택
100 : 제1단위셀
110 : 제1반응셀
112 : 제1막전극접합체유닛
112a : 제1분할막전극접합체
114 : 제1기체확산층
116 : 제1분리판유닛
116a : 제1분할분리판
117 : 제1냉각수유로
118 : 제1매니폴드유로
200 : 제2단위셀
210 : 제2반응셀
212 : 제2막전극접합체유닛
212a : 제2분할막전극접합체
214 : 제2기체확산층
216 : 제2분리판유닛
217 : 제2냉각수유로
216a : 제2분할분리판
218 : 제2매니폴드유로
300 : 엔드플레이트
302 : 연통유로
310 : 제1실링부재
312 : 제1가장자리 실링부
314 : 제1중간 실링부
320 : 제2실링부재
322 : 제2가장자리 실링부
324 : 제2중간 실링부
330 : 제3실링부재
332 : 제3가장자리 실링부
334 : 제3중간 실링부
340 : 제4실링부재
342 : 제4가장자리 실링부
344 : 제4중간 실링부
400 : 매니폴드블록
402 : 가이드유로
410 : 제1전압 모니터링 단자
420 : 제2전압 모니터링 단자
500 : 개폐유닛
510,510' : 개폐밸브
610 : 제1가스켓
620 : 제2가스켓10: fuel cell stack
100: 1st unit cell
110: first reaction cell
112: first membrane electrode assembly unit
112a: first split membrane electrode assembly
114: first gas diffusion layer
116: first separator unit
116a: first dividing plate
117: first cooling water passage
118: first manifold flow path
200: second unit cell
210: second reaction cell
212: second membrane electrode assembly unit
212a: second membrane electrode assembly
214: second gas diffusion layer
216: second separator unit
217: second cooling water passage
216a: second dividing plate
218: second manifold flow path
300: end plate
302: communication passage
310: first sealing member
312: first edge sealing part
314: first intermediate sealing part
320: second sealing member
322: second edge sealing part
324: second intermediate sealing part
330: third sealing member
332: third edge sealing part
334: third intermediate sealing part
340: fourth sealing member
342: fourth edge sealing part
344: fourth intermediate sealing part
400: manifold block
402: guide flow
410: first voltage monitoring terminal
420: second voltage monitoring terminal
500: open/close unit
510,510': open/close valve
610: first gasket
620: second gasket
Claims (14)
전기적으로 병렬로 연결되되 독립적으로 발전 가능하게 마련되는 복수개의 제2반응셀을 포함하며, 상기 제1단위셀과 전기적으로 직렬로 연결되게 상기 제1단위셀에 적층되는 제2단위셀;
을 포함하는 연료전지 스택.
A first unit cell including a plurality of first reaction cells electrically connected in parallel but independently capable of power generation; and
A second unit cell including a plurality of second reaction cells electrically connected in parallel but independently capable of power generation, and stacked on the first unit cell to be electrically connected in series with the first unit cell;
A fuel cell stack comprising a.
상기 제1단위셀은,
복수개의 상기 제1반응셀에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제1분할막전극접합체를 포함하는 제1막전극접합체유닛;
복수개의 상기 제1분할막전극접합체를 공통적으로 덮도록 상기 제1막전극접합체유닛에 적층되는 제1기체확산층; 및
복수개의 상기 제1분할막전극접합체에 대응되게 상기 제1기체확산층에 적층되는 복수개의 제1분할분리판을 포함하는 제1분리판유닛;
을 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 1,
The first unit cell,
a first membrane electrode assembly unit including a plurality of first divided membrane electrode assemblies independently divided to correspond to the plurality of first reaction cells;
a first gas diffusion layer stacked on the first membrane electrode assembly unit so as to commonly cover the plurality of first split membrane electrode assemblies; and
a first separation plate unit including a plurality of first division and separation plates stacked on the first gas diffusion layer to correspond to the plurality of first division membrane electrode assemblies;
A fuel cell stack comprising a.
상기 제2단위셀은,
복수개의 상기 제2반응셀에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제2분할막전극접합체를 포함하는 제2막전극접합체유닛;
복수개의 상기 제2분할막전극접합체를 공통적으로 덮도록 상기 제2막전극접합체유닛에 적층되는 제2기체확산층; 및
복수개의 상기 제2분할막전극접합체에 대응되게 상기 제2기체확산층에 적층되는 복수개의 제2분할분리판을 포함하는 제2분리판유닛;
을 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 2,
The second unit cell,
a second membrane electrode assembly unit including a plurality of second divided membrane electrode assemblies independently divided to correspond to the plurality of second reaction cells;
a second gas diffusion layer stacked on the second membrane electrode assembly unit to commonly cover the plurality of second divided membrane electrode assemblies; and
a second separator unit including a plurality of second partition separator plates stacked on the second gas diffusion layer to correspond to the plurality of second partition membrane electrode assemblies;
A fuel cell stack comprising a.
상기 제1막전극접합체유닛에 마련되며, 상기 제1분할막전극접합체를 독립적으로 구획하는 제1실링부재;
상기 제1분리판유닛에 마련되며, 상기 제1분할분리판을 독립적으로 구획하는 제2실링부재;
상기 제2막전극접합체유닛에 마련되며, 상기 제2분할막전극접합체를 독립적으로 구획하는 제3실링부재; 및
상기 제2분리판유닛에 마련되며, 상기 제2분할분리판을 독립적으로 구획하는 제4실링부재;를 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 3,
a first sealing member provided in the first membrane electrode assembly unit and independently partitioning the first divided membrane electrode assembly;
a second sealing member provided in the first separation plate unit and independently partitioning the first division and separation plate;
a third sealing member provided in the second membrane electrode assembly unit and independently partitioning the second divided membrane electrode assembly; and
A fuel cell stack including a fourth sealing member provided in the second separator unit and independently partitioning the second separator plate.
상기 제1실링부재는,
상기 제1막전극접합체유닛의 가장자리를 따라 마련되는 제1가장자리 실링부; 및 서로 인접한 상기 제1분할막전극접합체의 사이에 마련되며, 상기 제1가장자리 실링부에 연결되는 제1중간 실링부;를 포함하고,
상기 제2실링부재는,
상기 제1분리판유닛의 가장자리를 따라 마련되는 제2가장자리 실링부; 및 서로 인접한 상기 제1분할막전극접합체의 사이에 마련되며, 상기 제2가장자리 실링부에 연결되는 제2중간 실링부;를 포함하며,
상기 제3실링부재는,
상기 제2막전극접합체유닛의 가장자리를 따라 마련되는 제3가장자리 실링부; 및 서로 인접한 상기 제2분할막전극접합체의 사이에 마련되며, 상기 제3가장자리 실링부에 연결되는 제3중간 실링부;를 포함하고,
상기 제4실링부재는,
상기 제2분리판유닛의 가장자리를 따라 마련되는 제4가장자리 실링부; 및 서로 인접한 상기 제2분할막전극접합체의 사이에 마련되며, 상기 제4가장자리 실링부에 연결되는 제4중간 실링부;를 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 4,
The first sealing member,
a first edge sealing portion provided along an edge of the first membrane electrode assembly unit; and a first intermediate sealing portion provided between adjacent first divided film electrode assemblies and connected to the first edge sealing portion,
The second sealing member,
a second edge sealing portion provided along an edge of the first separator unit; and a second intermediate sealing portion provided between the first divided film electrode assemblies adjacent to each other and connected to the second edge sealing portion,
The third sealing member,
a third edge sealing portion provided along an edge of the second membrane electrode assembly unit; and a third intermediate sealing portion provided between the second divided film electrode assemblies adjacent to each other and connected to the third edge sealing portion,
The fourth sealing member,
a fourth edge sealing portion provided along an edge of the second separator unit; and a fourth intermediate sealing part provided between the second partitioned membrane electrode assemblies adjacent to each other and connected to the fourth edge sealing part.
복수개의 상기 제1분할분리판 중 적어도 어느 하나에 연결되는 제1전압 모니터링 단자; 및
복수개의 상기 제2분할분리판 중 적어도 어느 하나에 연결되는 제2전압 모니터링 단자;
를 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 3,
a first voltage monitoring terminal connected to at least one of the plurality of first division plates; and
a second voltage monitoring terminal connected to at least one of the plurality of second dividing plates;
A fuel cell stack comprising a.
상기 제1분할분리판에 각각 마련되는 제1매니폴드유로;
상기 제2분할분리판에 각각 마련되며, 상기 제1매니폴드유로와 연통되는 제2매니폴드유로; 및
상기 제1분할분리판 및 상기 제2분할분리판 별로 상기 제1매니폴드유로 및 상기 제2매니폴드유로를 개폐 가능하게 마련되는 개폐유닛;
을 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 3,
first manifold passages provided on each of the first partitioning plates;
second manifold passages provided on each of the second partitioning plates and communicating with the first manifold passage; and
an opening/closing unit provided to be able to open and close the first manifold passage and the second manifold passage for each of the first division and separation plates and the second division and division plates;
A fuel cell stack comprising a.
상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀의 최외각 단부에 체결되며, 상기 제1매니폴드유로 및 상기 제2매니폴드유로와 연통되는 복수개의 연통유로가 형성된 엔드플레이트를 포함하되,
상기 개폐유닛은, 상기 연통유로를 각각 개별적으로 개폐 가능하게 상기 엔드플레이트에 마련되는 복수개의 개폐밸브를 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 7,
An end plate fastened to the outermost ends of the first unit cell and the second unit cell and having a plurality of communication passages communicating with the first manifold passage and the second manifold passage,
The opening/closing unit includes a plurality of opening/closing valves provided on the end plate to individually open and close the communication passages.
상기 제1단위셀 및 상기 제2단위셀의 최외각 단부에 체결되며, 상기 제1매니폴드유로 및 상기 제2매니폴드유로와 연통되는 복수개의 연통유로가 형성된 엔드플레이트; 및
상기 엔드플레이트의 단부에 마련되되, 상기 연통유로와 개별적으로 연통되는 복수개의 가이드유로를 포함하는 매니폴드블록;을 포함하되,
상기 개폐유닛은, 상기 가이드유로를 각각 개별적으로 개폐 가능하게 상기 매니폴드블록에 마련되는 복수개의 개폐밸브를 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 7,
an end plate fastened to outermost ends of the first unit cell and the second unit cell and having a plurality of communication passages communicating with the first manifold passage and the second manifold passage; and
A manifold block provided at an end of the end plate and including a plurality of guide passages individually communicating with the communication passage,
The fuel cell stack wherein the opening/closing unit includes a plurality of opening/closing valves provided on the manifold block to individually open and close the guide passages.
상기 제1분리판유닛에 마련되며, 복수개의 상기 제1분할분리판에 대응되게 독립적으로 구획되는 복수개의 제1냉각수유로; 및
상기 제2분리판유닛에 마련되며, 복수개의 상기 제2분할분리판에 대응되게 독립적으로 구획되는 복수개의 제2냉각수유로;
를 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 3,
a plurality of first cooling water passages provided in the first separation plate unit and independently partitioned to correspond to the plurality of first division separation plates; and
a plurality of second cooling water passages provided in the second separator unit and independently partitioned to correspond to the plurality of second partition separator plates;
A fuel cell stack comprising a.
상기 제1단위셀은,
복수개의 상기 제1반응셀에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제1분할막전극접합체를 포함하는 제1막전극접합체유닛;
복수개의 상기 제1분할막전극접합체에 대응되게 상기 제1막전극접합체유닛에 적층되는 복수개의 제1분할기체확산층을 포함하는 제1기체확산층유닛; 및
복수개의 상기 제1분할기체확산층을 공통적으로 덮도록 상기 제1기체확산층유닛에 적층되는 제1분리판;
을 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 1,
The first unit cell,
a first membrane electrode assembly unit including a plurality of first divided membrane electrode assemblies independently divided to correspond to the plurality of first reaction cells;
a first gas diffusion layer unit including a plurality of first divided gas diffusion layers stacked on the first membrane electrode assembly unit to correspond to the plurality of first divided membrane electrode assembly units; and
a first separator stacked on the first gas diffusion layer unit so as to commonly cover a plurality of the first divided gas diffusion layers;
A fuel cell stack comprising a.
상기 제2단위셀은,
복수개의 상기 제2반응셀에 대응되게 독립적으로 분할되는 복수개의 제2분할막전극접합체를 포함하는 제2막전극접합체유닛;
복수개의 상기 제2분할막전극접합체에 대응되게 상기 제2막전극접합체유닛에 적층되는 복수개의 제2분할기체확산층을 포함하는 제2기체확산층유닛; 및
복수개의 상기 제2분할기체확산층을 공통적으로 덮도록 상기 제2기체확산층유닛에 적층되는 제2분리판;을 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 11,
The second unit cell,
a second membrane electrode assembly unit including a plurality of second divided membrane electrode assemblies independently divided to correspond to the plurality of second reaction cells;
a second gas diffusion layer unit including a plurality of second divided gas diffusion layers stacked on the second membrane electrode assembly unit to correspond to the plurality of second divided membrane electrode assembly units; and
A fuel cell stack comprising: a second separator stacked on the second gas diffusion layer unit so as to commonly cover the plurality of second divided gas diffusion layers.
상기 제1막전극접합체유닛에 마련되며, 상기 제1분할막전극접합체를 독립적으로 구획하는 제1실링부재;
상기 제1기체확산층유닛에 마련되며, 상기 제1분할기체확산층을 독립적으로 구획하는 제2실링부재;
상기 제2막전극접합체유닛에 마련되며, 상기 제2분할막전극접합체를 독립적으로 구획하는 제3실링부재; 및
상기 제2기체확산층유닛에 마련되며, 상기 제2분할기체확산층을 독립적으로 구획하는 제4실링부재;를 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 12,
a first sealing member provided in the first membrane electrode assembly unit and independently partitioning the first divided membrane electrode assembly;
a second sealing member provided in the first gas diffusion layer unit and independently partitioning the first divided gas diffusion layer;
a third sealing member provided in the second membrane electrode assembly unit and independently partitioning the second divided membrane electrode assembly; and
A fuel cell stack including a fourth sealing member provided in the second gas diffusion layer unit and independently partitioning the second divided gas diffusion layer.
상기 제1분할기체확산층에 대응되게 상기 제1분리판에 마련되는 복수개의 제1매니폴드유로;
상기 제1분리판에 마련되며, 상기 제1분할기체확산층에 대응되게 상기 제1매니폴드유로를 독립적으로 구획하는 제1구획부재;
상기 제2분할기체확산층에 대응되게 상기 제2분리판에 마련되는 복수개의 제2매니폴드유로; 및
상기 제2분리판에 마련되며, 상기 제2분할기체확산층에 대응되게 상기 제2매니폴드유로를 독립적으로 구획하는 제2구획부재;
를 포함하는 연료전지 스택.
According to claim 13,
a plurality of first manifold passages provided in the first separation plate to correspond to the first divided gas diffusion layer;
a first partition member provided on the first separation plate and independently partitioning the first manifold flow path to correspond to the first divided gas diffusion layer;
a plurality of second manifold passages provided in the second separation plate to correspond to the second divided gas diffusion layer; and
a second partition member provided on the second separation plate and independently partitioning the second manifold passage to correspond to the second divided gas diffusion layer;
A fuel cell stack comprising a.
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Country Status (1)
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|---|---|
| KR (1) | KR20230032729A (en) |
-
2021
- 2021-08-31 KR KR1020210115846A patent/KR20230032729A/en active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20210831 |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| A201 | Request for examination | ||
| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20240724 Comment text: Request for Examination of Application |