KR100529081B1 - 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료가 공급되는 통로를 형성하는 바이폴라 플레이트와 MEA의 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비, 이격부분의 높이에 대한 이격부분의 폭 비, 및 통로의 개수를 최적화하여, 연료의 확산 성능을 향상시키고 내부에서 일어나는 압력 저하를 감소시키는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부; 산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 스택을 포함하며, 상기 스택은 MEA와 이 MEA의 양면에 배치되는 바이폴라 플레이트에 의한 적층 구조로 이루어지고, 상기 바이폴라 플레이트는, 상기 MEA에 밀착되는 밀착부분과 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 통로를 MEA의 양측에 구비하며, 상기 이격부분의 높이에 대한 폭의 비가 0.6~0.8 범위 내에 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택 {FUEL CELL SYSTEM AND STACK USED THERETO}

본 발명은 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)와 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly : MEA, 이하 편의상 MEA라 한다) 사이에 형성되는 통로로 인하여 양자간에는 상호 밀착되는 부분과 이격되는 부분이 형성되며, 이 이격부분의 폭, 이 이격부분의 폭과 밀착부분의 폭 비, 이격부분의 폭과 높이 비, 및 통로의 개수를 최적화하여, 이 통로로 공급되는 연료의 확산 성능을 향상시키고 내부에서 일어나는 압력 저하를 감소시키는 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지는 메탄올이나 천연가스 등과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 이 연료 전지는 연소 과정 없이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가진다.

이 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150~200℃ 부근에서 작동되는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동되는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동되는 고체 산화물형 연료전지, 및 상온 내지 100℃ 이하에서 작동되는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질 등이 서로 다르다.

이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 스택으로 공급한다. 또한, 연료 전지는 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(Reformer)를 더 포함한다.

따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.

한편, 연료 전지는 수소를 함유한 액상의 연료를 직접 스택에 공급하여 전기를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 편의상 DMFC라 한다) 방식을 채택하며, 이 방식에서는 PEMFC와 달리 개질기를 배제할 수 있다.

도 6은 종래기술에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, MEA와 바이폴라 플레이트가 조립된 상태의 부분 단면도이다.

도면을 참조하면, 상기와 같은 연료 전지에 있어서, 실질적으로 전기를 발생시키는 스택은 MEA(51)와 바이폴라 플레이트(53)로 이루어지는 단위 셀을 수 개 내지 수십 개로 적층한 구조로 이루어진다. 상기 MEA(51)는 전해질막을 사이에 두고 양면에 각각 부착되는 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진다. 바이폴라 플레이트(53)는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 공급하는 수소통로(55) 및 공기통로(57)의 역할과 각 MEA(51)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시키는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.

따라서, 바이폴라 플레이트(53)에 의해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되고 캐소드 전극에는 산소 또는 공기가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어난다. 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 스택에서는 전기와 열 그리고 물이 발생된다.

바이폴라 플레이트(53)는 MEA(51)의 양측에 구비되어 상기한 바와 같이 수소 가스를 공급하는 수소통로(55)와 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기통로(57)를 형성한다. 이 수소통로(55) 및 공기통로(57)에 의하여 바이폴라 플레이트(53)는 MEA(51)와의 사이에 상호 밀착되는 부분(59)과 상기 수소통로(55) 및 공기통로(57)를 사이에 두고 이격되는 부분(61)을 교호적으로 형성한다. 실질적으로 상기 밀착되는 부분(59)은 상기 이격되는 부분(61)을 형성하는 채널을 사이에 두고 배치되는 리브에 의하여 형성된다.

통상적으로, 상기 바이폴라 플레이트(53)가 상기 MEA(51)를 사이에 두고 배치될 때, 상기 수소통로(55)와 공기통로(57)는 서로 직교 상태로 배치됨에 따라, 도 6에서 수소통로(55)는 한 개로 도시되어 있고, 상기 공기통로(57)는 다수로 도시되어 있다.

한편, 연료 전지에 있어, 상기 스택은 연료 전지의 효율을 향상시키기 위하여 연료의 확산 기능을 향상시킬 수 있고, 연료 확산 시에 필요한 압력이 저하되지 않도록 그 구조 설계를 요구받고 있는 바, 이의 중요한 설계사항이 상기 수소통로(55)와 공기통로(57)를 형성하는 채널의 크기 및 이 채널의 개수이다.

즉, 상기 바이폴라 플레이트(53)에 있어, 상기한 채널의 크기는 MEA(51)의 활성 영역에 대하여 연료인 수소 및 공기가 MEA(51)의 기체 확산층으로 확산되는 성능과, MEA(51)에서 발생된 전류에 대한 접촉 저항을 좌우하는 중요한 인자가 된다. 또한, 임의의 단면적을 가지는 채널을 제한된 면적의 바이폴라 플레이트(53)에 형성할 경우, 채널의 길이는 채널의 개수에 반비례하므로 연료를 공급하는 데 있어서, 채널의 개수는 스택 내부의 압력 저하를 좌우하는 중요한 인자가 된다.

따라서, 연료 전지 시스템의 효율을 향상시키기 위하여, MEA(51)의 양측에 상기 채널의 크기(실질적으로 이 채널의 크기는 상기 밀착되는 부분의 폭(W1)에 대한 이격되는 부분, 즉 채널의 폭(W2) 비(W2/W1), 채널의 높이(H)에 대한 채널 폭(W2)의 비(W2/H)로 결정된다) 및 채널의 개수를 최적화하는 것이 중요한데, 지금까지의 바이폴라 플레이트(53)는 이들을 구체화한 것이 없어 연료 전지의 효율 향상에 도움을 주지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 창안된 것으로, 그 목적은 연료가 공급되는 통로를 형성하는 바이폴라 플레이트와 MEA의 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비, 이격부분의 높이에 대한 이격부분의 폭 비, 및 통로의 개수를 최적화하여, 연료의 확산 성능을 향상시키고 내부에서 일어나는 압력 저하를 감소시키는 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택을 제공하는 것이다.

[연료 전지 시스템]

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은,

수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부;

산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 및

상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 스택을 포함하며,

상기 스택은 MEA와 이 MEA의 양면에 배치되는 바이폴라 플레이트에 의한 적층 구조로 이루어지고,

상기 바이폴라 플레이트는,

상기 MEA에 밀착되는 밀착부분과 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 통로를 MEA의 양측에 구비하며,

상기 이격부분의 높이에 대한 폭의 비가 0.6~0.8 범위 내에 있다.

상기 바이폴라 플레이트는 상기 밀착부분을 그 몸체에서 임의 간격을 두고 돌출 형성되는 리브로 형성하고, 상기 이격부분을 상기 리브 사이에 배치되는 채널로 형성하며, 채널의 높이에 대한 폭의 비가 0.6~0.8 범위 내에 있다.

상기 채널의 폭이 0.9~1.1mm이고, 상기 리브의 폭에 대한 채널의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있다. 상기 채널은 3개인 것이 바람직하다.

[연료 전지 시스템의 제1 구성]

상기 이격부분의 폭이 0.9~1.1mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있다. 상기 통로는 3개인 것이 바람직하다.

[연료 전지 시스템의 제2 구성]

상기 이격부분의 폭이 1.1~1.3mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 0.7~0.9 범위 내에 있다. 상기 통로는 5개인 것이 바람직하다.

[연료 전지 시스템의 제3 구성]

상기 이격부분의 폭이 1.1~1.3mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있다. 상기 통로는 4개인 것이 바람직하다.

[스택]

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택은,

연료 전지 시스템의 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA와 이 MEA의 양면에 배치되는 바이폴라 플레이트에 의한 적층 구조로 이루어지고,

상기 바이폴라 플레이트는 상기 MEA에 밀착되는 밀착부분과 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 통로를 MEA의 양측에 구비하며,

상기 이격부분의 높이에 대한 폭의 비가 0.6~0.8 범위 내에 있다.

상기 바이폴라 플레이트는 상기 밀착부분을 그 몸체에서 임의 간격을 두고 돌출 형성되는 리브로 형성하고, 상기 이격부분을 상기 리브 사이에 배치되는 채널로 형성하며, 채널의 높이에 대한 폭의 비가 0.6~0.8 범위 내에 있다.

상기 채널의 폭이 0.9~1.1mm이고, 상기 리브의 폭에 대한 채널의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있다. 상기 채널은 3개인 것이 바람직하다.

[스택의 제1 구성]

상기 이격부분의 폭이 0.9~1.1mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있다. 상기 통로는 3개인 것이 바람직하다.

[스택의 제2 구성]

상기 이격부분의 폭이 1.1~1.3mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 0.7~0.9 범위 내에 있다. 상기 통로는 5개인 것이 바람직하다.

[스택의 제3 구성]

상기 이격부분의 폭이 1.1~1.3mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있다. 상기 통로는 4개인 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택의 분해 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 공급부(1)와 개질기(3), 산소가 포함된 공기를 공급하는 공기 공급부(5), 및 이 연료 공급부(1)와 공기 공급부(5)로부터 공급되는 수소 및 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(7)을 포함하고 있다.

상기 연료 공급부(1)는 연료 탱크(9)와 펌프(11)를 구비하여, 연료 탱크(9) 내의 메탄올, 에탄올, 또는 천연 가스와 같은 액상 연료를 펌프(11)의 구동으로 개질기(3)로 공급하고, 이 개질기(3)를 통하여 개질된 수소 가스는 스택(7) 내부로 공급된다.

이 연료 전지 시스템은 액상의 연료를 직접 스택(7)으로 공급하여 전기를 생산하는 DMFC 방식을 채용할 수도 있다. 이와 같은 DMFC는 도 1에 도시된 PEMFC와 달리 개질기(3)를 필요로 하지 않는다. 편의상 이하에서는 PEMFC를 채용한 연료 전지 시스템을 예로 들어 설명한다.

공기 공급부(5)는 펌프(13)를 구비하여 산소가 포함된 공기를 스택(7) 내부로 공급하도록 구성되어 있다. 이 스택(7)으로 공급되는 공기는 스택(7) 내에서 수소 가스가 공급되는 수소통로(15)와 독립적으로 구획 형성되는 공기통로(17)로 공급된다(도 3참조).

상기 연료 공급부(1) 및 개질기(3)를 통해 수소 가스를 공급받고, 공기 공급부(5)로부터 공기를 공급받는 스택(7)은 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키고 부산물로써 열과 물을 발생시키도록 구성되어 있다.

본 실시예에 적용되는 스택(7)은 개질기(3)를 통해 개질된 수소 가스와 외부 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키도록 복수의 단위 셀(19)들로 이루어져 있다. 이 단위 셀(19)들 각각은 전기를 발생시키는 최소 단위이며, 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시키는 MEA(21)와 이 MEA(21)의 양측에 수소와 산소를 함유한 공기를 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(23, 25)로 구성되어 있다.

이 단위 셀(19)은 MEA(21)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(23, 25)를 배치하여 단일 스택을 형성하며, 이 단일 스택이 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(7)을 형성한다. 이 단위 셀(19) 중 스택(7)의 최외곽에 구비되는 단위 셀(19)은 바이폴라 플레이트(23, 25)의 변형 구조인 앤드 플레이트(27)를 구비한다. 이 단위 셀(19)들은 셀(19)의 외곽을 관통하는 볼트(19a)와 이 볼트(19a)에 체결되는 너트(b)에 의하여 적층 구조의 스택(7)을 형성한다.

도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택에 사용되는 바이폴라 플레이트 중 일측 바이폴라 플레이트를 선회한 상태의 분해 사시도이고, 도 4는 MEA와 바이폴라 플레이트가 조립된 상태의 부분 단면도이며, 도 5는 바이폴라 플레이트를 확대 도시한 부분 상세도이다.

도면을 참조하면, 바이폴라 플레이트(23, 25)는 MEA(21)를 사이에 두고 밀착 배치되어, MEA(21)의 양측에 각각 수소통로(15)와 공기통로(17)를 형성한다. 이 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 MEA(21)와 이의 양면에 밀착되는 바이폴라 플레이트(23, 25) 사이에서 상호 밀착되는 부분과 이격되는 부분에 의하여 형성된다. 이 MEA(21)에 밀착되는 부분은 리브(23b, 25b)로써 바이폴라 플레이트(23, 25)의 몸체(23a, 25a)에서 돌출 형성되고, MEA(21)와 이격되는 부분은 채널(23c, 25c)로써 상기 리브 사이에 통로(15, 17)를 형성하게 된다. 이 수소통로(15)는 MEA(21)의 애노드 전극(29) 측에 배치되고, 산소통로(17)는 MEA(21)의 캐소드 전극(31) 측에 배치된다.

여기서, 상기 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 각기 상기 바이폴라 플레이트(23, 25)의 몸체(23a, 25a)에 임의의 간격을 유지하는 채널(23c, 25c)과 리브(23b, 25b)의 교호적 배치에 의하여 형성되며, 이렇게 형성되는 통로(15, 17)는 다수 개가 한 조(15a, 17a)를 형성하도록 직선 상태로 배치되고, 각 조(15a, 17a) 통로(15, 17)의 양단을 이웃하는 각 조(15a, 17a) 통로(15, 17)의 양단에 대응되게 연결하여 형성되고 있다.

이러한 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 도 3을 통해 알 수 있듯이, 상기 바이폴라 플레이트(23, 25)들이 상기 MEA(21)를 사이에 두고 이 MEA(21)에 밀착될 때, 각 바이폴라 플레이트(23, 25)에서 도면 기준으로 상하 방향을 따라 배치되어 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 이 수소통로(15)는 대략 상하 방향으로 직선을 이루고 그 상측이 상기와 같이 상호 연결되고 하측이 상호 연결되어 바이폴라 플레이트(23)의 일측에 연속되는 사행(蛇行) 형상의 통로를 형성하여 상측에서 공급되는 수소를 하측으로 공급한다. 또한, 산소통로(17)는 상기 수소통로(15)와 같이 대략 상하 방향으로 직선을 이루고 그 상측이 상기와 같이 상호 연결되고 하측이 상호 연결되어 바이폴라 플레이트(25)의 일측에 연속되는 사행(蛇行) 형상의 통로를 형성하여 하측에서 공급되는 공기를 상측으로 공급한다. 즉 수소통로(15)와 공기통로(17)는 수소와 산소가 정반대 방향으로 흐르게 배치되어 있다. 물론, 이 수소통로(15) 및 공기통로(17)의 형성 방향은 상기에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 상기와 같이 애노드 전극(29) 측에 배치되어 이에 수소를 공급하는 수소통로(15)와 캐소드 전극(31)측에 배치되어 이에 산소가 포함된 공기를 공급하는 공기통로(17)는 상기한 바와 같이 복수로 형성되어 있다. 이 수소통로(15)와 공기통로(17)는 어느 일측만이 복수로 형성될 수도 있으나 양측 모두 복수로 형성되는 것이 바람직하며, 양 통로(15, 17)의 개수는 서로 다르게 구비될 수도 있으나 이 역시 동일하게 구비되는 것이 바람직하다. 도 3에는 5개의 통로(15, 17)를 구비한 바이폴라 플레이트(23, 25)가 예시되어 있고, 후술하는 표 1에는 바람직한 예로써, 3, 4, 5개의 통로(15, 17)를 구비한 바이폴라 플레이트(23, 25)를 적용한 실험 데이터가 예시되어 있다.

이와 같이 복수 개가 한 조(15a, 17a)를 형성하는 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 MEA(21)의 활성 영역(21a)이 임의의 면적을 가지고, 수소통로(15) 및 공기통로(17)의 단면적이 임의의 크기를 가지게 되므로, 동일 면적의 MEA(21)에 동일 단면적의 통로(15, 17)를 1개로 형성하는 종래기술에 비하여, 바이폴라 플레이트(23, 25)에 형성되는 수소통로(15) 및 공기통로(17) 각각의 길이를 짧게 한다.

이와 같은 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 종래와 같이 하나의 바이폴라 플레이트에 단순히 1개의 통로를 형성한 경우와 비교하여, 비슷한 전력을 발생시키면서 스택(7) 내에서의 압력 저하를 저감시키고 아울러 제한된 면적을 가지는 바이폴라 플레이트(23, 25)에 물리적으로 형성할 수 있는 개수 범위 이내로 설정되는 것이 바람직하다.

결과적으로, 본 발명에서 통로(15, 17)가 상기 바이폴라 플레이트(23, 25)에 복수로 형성됨으로서, 통로(15, 17)의 길이는 동일 면적의 바이폴라 플레이트에 통로가 하나로 형성되는 것에 비하여 짧아지고, 이 길이가 짧아짐에 따라 수소 가스 및 공기 공급 시, 통로(15, 17)와 유체 사이에 발생되는 유체의 관마찰을 저감시키게 되어 내부에서의 압력 저하를 줄이게 된다.

이와 같은 수소통로(15)와 공기통로(17)는 도면을 기준으로 상하 방향을 따라 배치됨에 따라 서로 정 방대 방향으로 배치된 구조를 갖는다.

이와 같은 양측 바이폴라 플레이트(23, 25) 사이에 개재되는 MEA(21)는 상기한 바와 같이, 소정의 면적을 가지고 산화/환원 반응이 일어나는 활성 영역(21a)을 구비하며, 이 활성 영역(21a)의 양면에 애노드 전극(29)과 캐소드 전극(31)을 구비하고, 두 전극(29, 31) 사이에 전해질막(33)을 구비하는 구조로 이루어져 있다.

상기 MEA(21)의 일면을 형성하는 애노드 전극(29)은 바이폴라 플레이트(23)와 MEA(21) 사이에 형성되는 수소통로(15)를 통하여 수소 가스를 공급받는 부분으로써, 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 통하여 수소 가스를 촉매층으로 공급하고, 이 촉매층에서 수소 가스를 산화 반응시켜, 변환된 전자를 외부로 인출하여 이 전자의 흐름으로 전류를 발생시키고, 수소 이온을 전해질막(33)을 통하여 캐소드 전극(31)으로 이동시킨다.

또한, 이 애노드 전극(29)에서 발생된 수소 이온이 전해질막(33)을 통하여 이동되어 오는 캐소드 전극(31)은 바이폴라 플레이트(25)와 MEA(21) 사이에 형성되는 공기통로(17)를 통해 산소가 함유된 공기를 공급받는 부분으로써, 이 또한 기체 확산층을 통하여 공기를 촉매층으로 공급하고, 이 촉매층에서 산소를 환원 반응시켜, 산소 이온을 상기 수소 이온과 함께 물로 변환시킨다.

전해질막(33)은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 전극(29)의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(31)의 촉매층으로 이동시켜, 캐소드 전극(31)의 산소 이온과 결합되어 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다.

다시, 도 5에 도시된 바와 같이, 양 바이폴라 플레이트(23, 25)는 실질적으로 동일한 형상으로 이루어짐에 따라, 편의상 도 5에서는 하나의 바이폴라 플레이트(23, 25)만을 도시하고, 이하에서는 이를 통해 2개의 바이폴라 플레이트(23, 25)를 같이 설명하도록 한다.

도면을 참조하면, 이 바이폴라 플레이트(23, 25)는 상기한 바와 같이, MEA(21)의 애노드 전극(29)과 캐소드 전극(31)에서 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스 및 공기를 공급하기 위한 통로, 즉 수소통로(15)와 공기통로(17)를 각각 구비한다.

즉, 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 상기 바이폴라 플레이트(23, 25)의 몸체(23a, 25a)의 일면에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성된 리브(23b, 25b)들 사이의 공간인 채널(23c, 25c)에 의해 형성된다. 이러한 구조에 의해 상기 MEA(21)의 활성 영역(21a)의 면적이 설정되고 나서 상기 채널(23c, 25c)의 크기가 설정되면 상기 리브(23b, 25b)의 크기는 자동으로 설정된다. 본 실시예에서 상기 채널(23c, 25c) 및 리브(23b, 25b)의 단면(각기 그 길이 방향에 대한 수직 방향의 단면) 형상은 대략 사각형으로 이루어지나, 반드시 이의 형상에 한정되는 것은 아니다.

이 수소통로(15)를 형성하는 채널(23c)은 개질기(3)에 연결되고, 공기통로(17)를 형성하는 채널(25c)은 펌프(13)에 연결된다. 따라서 일측 앤드 플레이트(27)에는 개질기(3)에서 생성된 수소 가스와 펌프(13)에서 압송되는 공기가 수소통로(15) 및 공기통로(17)로 각각 공급되고, 다른 일측 앤드 플레이트(27)에는 MEA(21)에서 전기 화학적 반응을 일으키고 남은 잔여 수소 가스 및 공기가 배출된다.

상기에서 리브(23b, 25b)의 폭(Wr)은 수소 가스 및 공기가 흐르지 않는 부분을 형성하는 데 영향을 주고, 채널(23c, 25c)의 폭(Wc)과 높이(Hc)는 수소 가스 및 공기가 흐르는 부분을 형성하는 데 영향을 준다. 따라서 채널(23c, 25c)이 형성하는 통로(15, 17)의 단면적(A)은 채널(23c, 25c)의 폭(Wc)과 높이(Hc)에 의하여 결정된다. 상기에서 채널(23c, 25c)의 폭(Wc)과 리브(23b, 25b)의 폭(Wr)은 채널(23c, 25c)(또는 리브(23b, 25b))의 폭(Wr)이 통로(15, 17) 전 범위에 걸쳐 일정하지 않을 경우, 각각 채널(23c, 25c)의 폭(Wc)과 리브(23b, 25b)의 폭(Wr)의 평균값을 취하는 것이 바람직하다.

또한, 통로(15, 17)는 막부분(15b, 17b)과 기체부분(15c, 17c)으로 구분하여 명명될 수 있다. 기체부분(15c, 17c)은 수소 가스 및 산소를 MEA(21)의 활성 영역(21a)으로 공급하고, 막부분(15b, 17b)은 수소 가스 및 산소에 의하여 스택(7) 내부에서 생성되는 물을 이동시켜 준다. 따라서 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 실질적으로 막부분(15b, 17b)에 해당하는 단면적을 제외한 기체부분(15c, 17c)에 해당하는 단면적만큼 수소 및 공기를 공급하게 된다.

이와 같은 바이폴라 플레이트(23, 25)는 연료 전지의 효율을 높이기 위하여, 스택(7) 내부에서 발생된 전류의 접촉 저항을 허용 범위 이내로 유지하면서, MEA(21)의 기체 확산층에서 연료인 수소 및 산소의 확산 성능을 향상시켜, 스택(7) 내부에서 일어나는 압력 저하를 저감시킬 필요가 있다. 이를 위하여 바이폴라 플레이트(23, 25)의 통로(15, 17), 즉 채널(23c, 25c)의 단면적(A)을 적절히 조절할 필요가 있다.

따라서 본 실시예에는 바이폴라 플레이트(23, 25)에서 수소 가스 및 공기가 흐르는 채널(23c, 25c)의 폭(Wc)과 높이(Hc)의 비, 채널(23c, 25c)의 폭(Wc)과 수소 가스 및 공기가 흐르지 않는 리브(23b, 25b)의 폭(Wr) 비, 및 채널(23c, 25c)의 개수를 최적화하는 것이 예시되어 있다.

수소 가스 및 공기의 확산과 수소 가스 및 공기 공급에 필요한 에너지를 모두 개선하기 위한 연료 전지의 성능 평가를 위하여, 관련 전력 밀도(Relative Power Density : RPD, 이하 편의상 RPD라 한다)를 이용한다. 이 RPD는 스택(7)에서 생성되는 전력과 스택(7)에서 연료인 수소 가스 및 공기를 공급하기 위하여 소모되는 전력의 차이를 구하고, 이 차이를 스택(7) 내부의 활성 영역(21a)의 총합 면적으로 나누어 산출한다. 이렇게 산출된 결과는 표 1 및 표 2와 같다.

[표 1]은 채널(23c, 25c)의 폭(Wc), 리브 폭(Wr)에 대한 채널 폭(Wc)의 비, 채널 높이(Hc)에 대한 채널 폭(Wc)의 비, 및 채널 수의 조합과 RPD 관계를 도시한 표이다.

	제1 실시예	제2 실시예	제3 실시예
채널 폭(mm)	0.0~1.1	1.1~1.3	1.1~1.3
채널 폭/리브 폭 비(Wc/Wr)	1.1~1.3	0.7~0.9	1.1~1.3
채널 폭/채널 높이 비(Wc/Hc)	0.6~0.8	0.6~0.8	0.6~0.8
채널 수	3	5	4
RPD(mW/㎠)	210	259	232

연료 전지의 성능 평가를 위하여 애노드 전극(29)에 수소 가스를 공급하고 캐소드 전극(31)에 공기를 공급하는 비가열 상태에서 채널 높이(Hc)에 대한 채널 폭(Wc)의 비(Wc/Hc)를 고정시키고, 채널(23c, 25c)의 폭(Wc), 리브 폭(Wr)에 대한 채널 폭(Wc)의 비(Wc/Wr), 및 채널 수를 가변시키는 조합으로 RPD를 얻은 실험 결과이다.

상기 결과로부터 본 발명의 제, 2, 3 실시예는 상기와 같은 조건으로 조합할 때, 연료 전지의 성능이 우수하다는 것을 보여준다.

특히, 상기 채널 폭/채널 높이(Wc/Hc)의 비가 0.6~0.8로 일정할 때, 제2 실시예의 실험 결과가 가장 좋게 나오는 것을 알 수 있다.

상기 채널(23c, 25c)의 높이(Hc)에 대한 폭(Wc)의 비(Wc/Hc)가 0.6~0.8 사이인 이유는 비(Wc/Hc)가 0.6 미만 구간에서는 채널(23c, 25c)의 높이(Hc)에 대하여 폭(Wc)이 지나치게 작게 형성되어, 결국, 채널(23c, 25c)의 형상이 동일 면적에 대하여 좁고 높은 직사각형 형상으로 형성되어(도 5에서), 스택(7) 내부의 압력 저하가 심화되고, 비(Wc/Hc)가 0.8 초과 구간에서는 채널(23c, 25c)의 폭(Wc)에 대하여 높이(Hc)가 지나치게 작게 형성되어, 결국, 상기와 같이 채널(23c, 25c)을 가지는 통로(15, 17)의 형상이 동일 면적에 대하여 넓고 낮게 형성되어(도 5에서), 스택(7) 내부의 압력 저하가 심화되므로 스택(7)에서 생성되는 전력에 비하여 연료인 수소 가스 및 공기를 공급하는 데 많은 전력을 소모하게 되어 RPD가 낮아지기 때문이다.

상기 조건의 결과로부터, 제2 실시예는 제3 실시예와 비교할 때, 채널 폭(Wc)이 1.1~1.3mm로 동일하고 채널 수가 1개 더 많으므로 동일 면적의 바이폴라 플레이트(23, 25)에 있어서, 통로(15, 17)의 면적을 크게 형성하기 때문에 제3 실시예에 비하여 내부 압력 저하가 적게 일어나므로, 연료 전지 효율이 더 높은 것을 알 수 있다.

또한, 제2 실시예는 제1 실시예와 비교할 때, 채널 폭(Wc)이 더 크고 통로(15, 17)의 수가 더 많으므로 동일 면적의 바이폴라 플레이트(23, 25)에 있어서, 통로(15, 17)의 면적을 크게 형성하기 때문에 제1 실시예에 비하여 내부 압력 저하가 적게 일어나므로, 연료 전지 효율이 더 높은 것을 알 수 있다.

이 제1 실시예는 이의 RPD 값이 제2 실시예의 RPD 값에 비하여 비록 낮지만 외부 환경에 영향을 적게 받으므로 수소 가스 및 공기의 입력 조건에 덜 민감하게 반응하는 장점을 가지고 있다. 따라서 제2 실시예는 외부 환경이 빈번히 바뀌는 곳에서 적절하게 사용될 수 있다.

또, 제3 실시예는 제1, 제2 실시예의 중간 점을 취한 것으로서, 비교적 높은 RPD 값을 가지며, 외부 환경에 대하여 제1 실시예보다는 부족하지만 강한 내성을 가진다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택에 의하면, MEA에 밀착되는 바이폴라 플레이트에서 리브의 폭에 대한 채널의 폭 비, 채널의 높이에 대한 채널의 폭 비, 및 채널의 개수를 최적으로 선정함으로써, 스택 내부에서 발생된 전류의 접촉 저항을 허용 범위 이내로 유지하면서 수소 및 공기와 같은 연료의 확산 성능을 향상시켜, 스택 내부에서 일어나는 압력 저하를 감소시켜 연료 전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택의 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택에 사용되는 바이폴라 플레이트 중 일측 바이폴라 플레이트를 선회한 상태의 분해 사시도이다.

도 4는 MEA와 바이폴라 플레이트가 조립된 상태의 부분 단면도이다.

도 5는 바이폴라 플레이트를 확대 도시한 부분 상세도이다.

도 6은 종래기술에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, MEA와 바이폴라 플레이트가 조립된 상태의 부분 단면도이다.

Claims (20)

1. 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부;

   산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 및

   상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 스택을 포함하며,

   상기 스택은 MEA와 이 MEA의 양면에 배치되는 바이폴라 플레이트에 의한 적층 구조로 이루어지고,

   상기 바이폴라 플레이트는,

   상기 MEA에 밀착되는 밀착부분과 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 통로를 MEA의 양측에 구비하며,

   상기 이격부분의 높이에 대한 폭의 비가 0.6~0.8 범위 내에 있는 연료 전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 바이폴라 플레이트는 상기 밀착부분을 그 몸체에서 임의 간격을 두고 돌출 형성되는 리브로 형성하고, 상기 이격부분을 상기 리브 사이에 배치되는 채널로 형성하며, 채널의 높이에 대한 폭의 비가 0.6~0.8 범위 내에 있는 연료 전지 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 채널의 폭이 0.9~1.1mm이고, 상기 리브의 폭에 대한 채널의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있는 연료 전지 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 채널은 3개인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 이격부분의 폭이 0.9~1.1mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있는 연료 전지 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 통로는 3개인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 이격부분의 폭이 1.1~1.3mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 0.7~0.9 범위 내에 있는 연료 전지 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 통로는 5개인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 이격부분의 폭이 1.1~1.3mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있는 연료 전지 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 통로는 4개인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
11. 연료 전지 시스템의 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA와 이 MEA의 양면에 배치되는 바이폴라 플레이트에 의한 적층 구조로 이루어지고,

    상기 바이폴라 플레이트는 상기 MEA에 밀착되는 밀착부분과 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 통로를 MEA의 양측에 구비하며,

    상기 이격부분의 높이에 대한 폭의 비가 0.6~0.8 범위 내에 있는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 바이폴라 플레이트는 상기 밀착부분을 그 몸체에서 임의 간격을 두고 돌출 형성되는 리브로 형성하고, 상기 이격부분을 상기 리브 사이에 배치되는 채널로 형성하며, 채널의 높이에 대한 폭의 비가 0.6~0.8 범위 내에 있는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 채널의 폭이 0.9~1.1mm이고, 상기 리브의 폭에 대한 채널의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 채널은 3개인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
15. 제 11 항에 있어서,

    상기 이격부분의 폭이 0.9~1.1mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 통로는 3개인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
17. 제 11 항에 있어서,

    상기 이격부분의 폭이 1.1~1.3mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 0.7~0.9 범위 내에 있는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 통로는 5개인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
19. 제 11 항에 있어서,

    상기 이격부분의 폭이 1.1~1.3mm이고, 상기 밀착부분의 폭에 대한 이격부분의 폭 비가 1.1~1.3 범위 내에 있는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 통로는 4개인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.