KR100570687B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지에 사용되는 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택; 수소를 함유한 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 구비되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비하고, 상기 바이폴라 플레이트는 상기한 수소와 공기가 유출,입하는 구멍이 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 수소와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 크게 형성되며, 상기 구멍에 접촉면적 확장부를 구비한다.
연료전지, 스택, 바이폴라 플레이트, 접촉면적, 삼각형, 접촉면적 확장부

Description

연료 전지 시스템 {FUEL SELL SYSTEM}
도 1은 일반적인 연료 전지 시스템의 스택을 구성하는 전기 생성부를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시한 스택의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 바이폴라 플레이트를 더욱 구체적으로 나타내 보인 사시도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 대한 바이폴라 플레이트의 변형예들을 나타내 보인 평면 구성도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지에 사용되는 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지는 메탄올이나 천연가스 등과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환 시키는 발전 시스템이다. 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)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 고분자 전해질형 연료 전지는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 구성하며, 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 고분자 전해질형 연료 전지는 연표 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) 방식을 채택하며, 이 방식에서는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리 개질기를 배제할 수 있다.
도 1은 일반적인 연료 전지 시스템의 스택을 구성하는 전기 생성부를 도시한 분해 사시도이다.
도 1을 참고하면, 상기와 같은 연료 전지에 있어 실질적으로 전기를 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)(12)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)로 이루어지는 전기 생성부(11)를 수 개 내지 수십 개로 적층한 구조로 이루어진다. 상기 전극-전해질 합성체(12)는 수소 가스와 산소의 화학적인 반응에 의해 실질적으로 전기를 발생시키는 활성 영역(active area)을 구비하며, 이 활성 영역은 전해질막을 사이에 두고 양면에 각각 부착되는 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진다. 각각의 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 양면에 밀착되어 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 공급하는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시키는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서 바이폴라 플레이트(16)에 의해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되고 캐소드 전극에는 산소가 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.
구체적으로, 각각의 바이폴라 플레이트(16)에는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하기 위한 제1 유입구(17a)와, 상기한 애노드 전극에서 미반응하고 남은 수소 가스를 배출하기 위한 제1 유출구(17b)와, 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 산소를 공급하기 위한 제2 유입구(18a)와, 상기한 캐소드 전극에서 미반응하고 남은 산소를 배출하기 위한 제2 유출구(18b)를 형성하고 있다. 그리고 제1 유입구(17a)와 제1 유출구(17b)를 연결하는 제1 유로채널(17c)과, 제2 유입구(18a)와 제2 유출구(18b)를 연결하는 제2 유로채널(18c)을 형성하고 있다. 여기서 상기한 제1 및 제2 유로채널(17c, 18c) 각각은 바이폴라 플레이트(16)의 어느 한 쪽면과 그 반대면에 형성될 수 있으며, 바이폴라 플레이트(16)의 어느 한 쪽면에 각각 형성될 수도 있다.
이와 같은 연료 전지의 스택은 일반적으로 가동 온도가 60∼80℃를 유지할 때 최적의 작동 성능을 발휘하게 되는 바, 바이폴라 플레이트(16)의 각 유입구(17a, 18a)를 통해 공급되는 수소 가스와 산소를 그 유입구(17a, 18a) 부근에서 스택에서 발생하는 열을 이용하여 일정 온도로 높여 주어야 한다. 그리고 스택에 의해 생산되는 전력을 소모하여 그 스택을 구동하기 위한 기생전력을 줄이기 위해 최소한의 압력으로 상기한 수소 가스와 산소를 전극-전해질 합성체(12)로 공급해야 한다.
그런데 일반적인 연료 전지에 있어 바이폴라 플레이트(16)는 수소 가스와 산소가 유출입하는 유출입구(17a, 17b, 18a, 18b)가 대략 직사각형의 형상을 취하고 있는 바, 수소 가스와 산소의 접촉 면적을 더욱 증가시켜 유입구(17a, 18a) 부근에서 스택으로부터 발생하는 열을 수소 가스와 산소로 전달하는 능력을 더욱 향상시키고, 상기한 수소 가스와 산소를 최소한의 압력으로 전극-전해질 합성체(12)로 공급함은 물론 전극-전해질 합성체(12)의 활성 영역을 더욱 확장시키기 위한 최적의 유입출구 형상을 선정하여 연료 전지의 효율 및 성능을 꾀할 것이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 창안된 것으로, 그 목적은 바이폴라 플레이트에서 수소 가스와 산소가 유출입하는 유출입구의 형상을 개선하여 전체적인 시스템의 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택; 수소를 함유한 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 구비되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비하고, 상기 바이폴라 플레이트는 상기한 수소와 공기가 유출,입하는 구멍이 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 수소와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 크게 형성되며, 상기 구멍에 접촉면적 확장부를 구비한다.
이러한 경우 상기 구멍이 삼각형을 포함하는 다각형으로 이루어지며, 정사각형을 포함하는 다각형으로 이루어질 수 있고, 원형 또는 타원형으로 이루어질 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 접촉면적 확장부가 상기 구멍에 적어도 하나의 요홈을 형성하고 있거나 상기 구멍에 적어도 하나의 돌기를 구비하고 있는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식을 채용하며, 이 경우 상기 스택과 연료 공급부 사이에, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 생성시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 스택에 연결 설치된다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기한 개질기가 배제된 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택은, 전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 포함하고, 상기 바이폴라 플레이트는 수소와 공기가 유출,입하는 구멍이 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 수소와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 크게 형성되며, 상기 구멍에 접촉면적 확장부를 구비한다.
이러한 경우 상기 구멍이 삼각형을 포함하는 다각형으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 2를 참고하면, 본 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하고, 상기한 개질 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질기(20)와, 개질기(20)에 의해 생성된 개질 가스와 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내 는 스택(30)과, 상기한 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급부(40)와, 외부의 공기를 스택(30)으로 공급하는 공기 공급부(50)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 생성하기 위한 실질적인 연료라 함은 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등과 같은 탄화 수소 또는 알코올 계열의 수소를 함유한 연료 이 외에 물 및 산소가 더욱 포함된다. 그러나 이하에서는 위와 같은 수소를 함유한 연료와 물의 혼합 연료를 액상의 연료라 정의한다.
그리고 본 시스템(100)은 공기 공급부(50)로부터 공급되는 외부 공기 중의 산소와 상기한 개질 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시킬 수 있다. 대안으로서 본 시스템(100)은 별도로 저장된 산소 가스와 개질기(20)로부터 개질된 개질 가스를 스택(30)으로 공급하여 이들의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킬 수도 있다. 그러나 이하에서는 전기 생성에 필요한 산소로서 외부의 공기를 그대로 사용하는 후자의 예를 설명한다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 직접 스택(30)으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 도 2에 도시한 개질기(20)가 배제된 구조를 가진다. 그러나, 이하에서는 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명할 뿐, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바 있는 개질기(20)는 개질 반응에 의해 액상의 연료를 스택(30)의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 개질할 뿐만 아니라, 상기한 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 장치이다. 통상적으로 상기한 개질기(20)는 액상의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질부와, 그 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함한다. 개질부는 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고 일산화탄소 저감부는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시킨다. 여기서 개질기(20)는 제1 공급라인(91)에 의해 연료 공급부(40)와 연결 설치되고, 제2 공급라인(92)에 의해 스택(30)과 연결 설치될 수 있다.
연료 공급부(40)는 개질기(20)와 연결 설치되는 것으로서, 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(41)와, 연료 탱크(41)에 연결 설치되는 연료 펌프(43)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(43)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(41)에 저장된 액상의 연료를 그 탱크의 내부로부터 배출시키는 기능을 갖는다. 이 때 연료 공급부(40)와 개질기(20)는 전술한 바 있는 제1 공급라인(91)에 의해 연결 설치될 수 있다.
공기 공급부(50)는 스택(30)과 연결 설치되며, 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 스택(30)으로 공급할 수 있는 공기 펌프(51)를 구비한다. 이 때 스택(30)과 공기 공급부(50)는 제3 공급라인(93)에 의해 연결 설치될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시한 스택의 분해 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(30)은 개질기(20)를 통해 개질된 개질 가스와 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(31)를 구비하고 있다.
각각의 전기 생성부(31)는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하며, 수소가 풍부한 개질 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA )(32) 및, 개질 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(32)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(36)를 포함하여 구성된다.
이러한 전기 생성부(31)는 전극-전해질 합성체(32)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(36)가 각각 배치된다. 이로서 스택(30)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(31)가 연속적으로 배치됨으로써 구성된다. 그리고 스택(30)의 최외곽에는 엔드 플레이트(33)가 위치하고 있다.
전극-전해질 합성체(32)는 양측면을 이루는 애노드 전극(미도시)과 캐소드 전극(미도시) 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 가진다. 즉, 전극-전해질 합성체(32)는 소정의 활성 영역(미도시)을 구비하며, 이 활성 영역의 양측면에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하고, 그 사이에 전해질막이 개재되는 구조로 이루어진다. 애노드 전극은 바이폴라 플레이트(36)를 통해 개질 가스를 공급받는 부분으로서, 개질 가스의 원활한 확산을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDS)과, 산화 반응에 의해 개질 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층으로 구성된다. 캐소드 전극은 바이폴라 플레이트(36)을 통해 공기를 공급받는 부분으로서, 공기의 원활한 확산을 위한 기체 확 산층과, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
각각의 바이폴라 플레이트(36)는 전극-전해질 합성체(32)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다. 또한 각각의 바이폴라 플레이트(36)에는 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 밀착되는 밀착면에 애노드 전극으로 개질 가스를 공급하고, 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 유로 채널(37c, 38c)을 형성하고 있다.
그리고 각각의 엔드 플레이트(33)는 스택(30)의 최외곽에 각각 배치되어 복수의 전기 생성부(31)를 밀착하는 기능을 갖는다. 또한 엔드 플레이트(33)에는 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극으로 개질 가스를 공급하기 위한 제1 공급관(33a)과, 상기한 전극-전해질 합성체(32)의 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 제2 공급관(33b)과, 전기 생성부(31)에서 최종적으로 미반응 하고 남은 개질 가스를 배출하기 위한 제1 배출관(33c)과, 전기 생성부(31)에서 최종적으로 미반응 하고 남은 공기를 배출하기 위한 제2 배출관(33d)을 구비하고 있다. 여기서 제1 공급관(33a)은 전술한 바 있는 제2 공급라인(92)에 의해 개질기(20)와 연결될 수 있다. 그리고 제2 공급관(33b)은 전술한 바 있는 제3 공급라인(93)에 의해 공기 공급부(50)와 연결될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시한 바이폴라 플레이트를 더욱 구체적으로 나타내 보인 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 이 바이폴라 플레이트(36)는 개질 가스가 스택(30)의 제1 공급관(33a)을 통해 각각의 바이폴라 플레이트(36) 사이로 유입되도록 하는 제1 유입구(37a)와, 제1 유입구(37a)를 통과한 개질 가스를 각가의 바이폴라 플레이트(36) 사이에 위치하는 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극으로 공급하기 위한 제1 유로 채널(37c)과, 전극-전해질 합성체(32)에서 미반응 하고 남은 개질 가스가 스택(30)의 제1 배출관(33c)을 통해 스택(30)의 외부로 유출되도록 하는 제1 유출구(37b)와, 스택(10)의 제2 공급관(33b)을 통해 외부의 공기가 각각의 바이폴라 플레이트(36) 사이로 유입되도록 하는 제2 유입구(38a)와, 제2 유입구(38a)를 통과한 공기를 각각의 바이폴라 플레이트(36) 사이에 위치하는 전극-전해질 합성체(32)의 캐소드 전극으로 공급하기 위한 제2 유로 채널(38c)과, 전극-전해질 합성체(32)에서 미반응 하고 남은 공기가 스택(30)의 제2 배출관(33d)을 통해 스택(30)의 외부로 유출되도록 하는 제2 유출구(38b)를 형성하고 있다.
이 때 바이폴라 플레이트(36)는 상기한 제1 유입구(37a)와 제1 유출구(37b)가 제1 유로 채널(37c)에 의해 서로 연결되고, 상기한 제2 유입구(38a)와 제2 유출구(38b)가 제2 유로 채널(38c)에 의해 서로 연결될 수 있다.
그리고 바이폴라 플레이트(36)는 어느 한 쪽면에 제1 유입구(37a)와 제1 유출구(37b)가 제1 유로 채널(37c)에 의해 서로 연결되고, 이와 반대되는 다른 한 쪽면에 제2 유입구(38a)와 제2 유출구(38b)가 제2 유로 채널(38c)에 의해 서로 연결 되는 양면 구조를 가질 수 있다. 대안으로서, 상기한 바이폴라 플레이트(36)는 어느 하나의 플레이트의 한 쪽면에 제1 유입구(37a)와 제1 유출구(37b)가 제1 유로 채널(37c)에 의해 서로 연결되고, 다른 하나의 플레이트의 한 쪽면에 제2 유입구(38a)와 제2 유출구(38b)가 제2 유로 채널(38c)에 의해 서로 연결되는 구조를 가질 수도 있다.
이와 같은 바이폴라 플레이트(36)는 스택(30)의 효율 및 성능을 높이기 위하여, 전극-전해질 합성체(32)의 기체 확산층에서 개질 가스와 공기의 확산 성능을 향상시키며, 유입구(37a, 38a)를 통해 개질 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(32)로 공급하는 압력의 손실을 저감시키고, 유입구(37a, 38a) 부근에서 스택(30) 자체에서 발생하는 열을 유입구(37a, 38a)를 통해 유입되는 개질 가스와 공기로 전달하는 능력을 향상시킴은 물론 전극-전해질 합성체(32)의 활성 영역(active area)을 더욱 확장시킬 필요가 있다.
이를 위하여 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)의 형상을 종래의 직사각형과 상이한 형상으로 적절히 조절하여 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)에 대한 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 증가시킬 필요가 있다. 따라서 본 실시예에는 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)의 형상을 최적화하여 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 증가시키는 것이 예시되어 있다.
본 실시예에 의한 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 상기한 개질 가스와 공기가 유출입하는 구멍이 종래의 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 상기한 직사각형 보다 상대적으로 큰 형 상으로 이루어진다.
바람직하게, 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 직사각형과 동일한 면적을 가진 조건 하에서 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 상대적으로 큰 삼각형으로 형성한다. 이러한 형상을 갖는 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 바이폴라 플레이트(36)의 각 모서리 부분을 따라 위치하는 수평변과 수직변 그리고 수평변과 수직변을 잇는 사선변을 이루고 있다.
따라서 직사각형의 유출입구를 갖는 바이폴라 플레이트의 비교예에 있어 유출입구의 장변 길이가 2, 단변 길이가 1인 경우 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 A라 하고, 본 실시예에 의한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)의 수평변과 수직변이 2인 경우 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 B라고 할 때, 결과적으로 A는 B 보다
Figure 112004007734021-pat00001
만큼 더 크다는 것을 알 수 있다. 이 때 비교예와 실시예에 대한 개질 가스와 공기의 접촉 면적은 유출입구 각각의 단면적을 기준으로 하고 있다.
이로서 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)에 대한 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 직사각형을 갖는 종래의 유출입구 보다 상대적으로 증가하게 되고 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 클수록 이에 대한 마찰 계수가 작아지게 되므로, 개질 가스와 공기를 유입구(37a, 38a)를 통해 전극-전해질 합성체(32)로 공급하는 압력의 손실이 작아짐은 자명한 사실이다. 또한 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)에 대한 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 증가함에 따라 유입구(37a, 38a) 부분에서 스택(30) 자체로부터 발생하는 열을 개질 가스와 공기로 전달하는 능력이 향상되게 된다. 더욱이 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 각 모서리 부분을 따라 수평변과 수직변이 위치하고 수평변과 수직변을 잇는 사선변을 이루고 있기 때문에, 종래와 달리 전극-전해질 합성체(32)의 활성 영역(active area)을 더욱 확장시킬 수 있게 된다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 대한 바이폴라 플레이트의 변형예들을 나타내 보인 평면 구성도이다.
도 5a를 참고하면, 본 실시예의 제1 변형예로서, 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 상대적으로 큰 정사각형으로 이루어질 수 있다. 대안으로서, 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 위와 같이 정사각형으로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 오각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형으로 이루어질 수도 있다.
도 5b를 참고하면, 본 실시예의 제2 변형예로서, 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 상대적으로 큰 원형으로 이루어질 수 있다. 대안으로서, 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 위와 같이 원형으로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 도면에 가상선으로 도시한 타원형으로 이루어질 수도 있다.
도 5c를 참고하면, 본 실시예의 제3 변형예로서, 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 상술한 바와 같은 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 향상시키기 위한 접촉면적 확장부(39)를 더 구비하고 있다.
상기한 접촉면적 확장부(39)는 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 삼각형으로 이루어지는 것을 기본으로 하면서 모서리 부분의 수평변 및 수직변에 적어도 하나의 요홈(39a)을 형성하고 있다. 상기한 요홈(39a)은 수평변 및 수직변을 따라 오목한 형태로 라운드되게 형성된 반원 형상의 홈을 형성하고 있다.
도 5d를 참고하면, 본 실시예의 제4 변형예로서, 접촉면적 확장부(69)가 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)에 대해 핀 타입으로 돌출 형성되는 적어도 하나의 돌기(69a)를 구비하고 있다. 상기한 돌기(69a)는 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 삼각형으로 이루어지는 것을 기본으로 하면서 모서리 부분의 수평변 및 수직변에 돌출 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 펌프(43)를 가동시켜 연료 탱크(41)에 저장된 액상의 연료를 제1 공급라인(91)을 통해 개질기(20)로 공급한다. 그러면 개질기(20)는 개질 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기한 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
이어서, 상기한 개질 가스를 제2 공급라인(92)을 통해 스택(30)의 제1 공급관(33a)으로 공급한다. 그러면 상기한 개질 가스는 바이폴라 플레이트(36)를 통해 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극으로 공급된다.
이와 동시에, 공기 펌프(51)를 가동시켜 공기를 제3 공급라인(93)을 통해 스 택(30)의 제2 공급관(33b)으로 공급한다. 그러면 공기는 바이폴라 플레이트(36)를 통해 전극-전해질 합성체(32)의 캐소드 전극으로 공급된다.
이 때 상기한 개질 가스와 공기는 바이폴라 플레이트(36)의 유입구(37a, 38a)를 통해 전극-전해질 합성체(32)로 공급된다.
따라서 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 향상시킬 수 있는 최적의 형상으로 이루어져 있기 때문에, 그 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)에서 개질 가스와 공기의 마찰 계수가 작게 작용하게 되어 개질 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(32)로 공급하는 압력의 손실이 작아지게 된다. 그리고 바이폴라 플레이트(36)의 유입구(37a, 38a)에 대한 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 증가함에 따라 스택(30) 자체에서 발생하는 열을 개질 가스와 공기로 전달하는 능력 즉, 열교환의 능력이 증가하므로, 유입구(37a, 38a)에서의 개질 가스와 공기의 원활한 자연 대류 작용을 향상시켜 열 교환을 더욱 활발하게 유도할 수 있게 된다.
상기와 같이 수소가 풍부한 개질 가스를 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극으로 공급하고, 외부 공기를 전극-전해질 합성체(32)의 캐소드 전극으로 공급하게 되면, 스택(30)은 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 물을 생성하게 된다.
<반응식 1>
양극반응: H2 → 2H+ + 2e-
음극반응: O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체반응: H2 + O2 → H2O + 전류
반응식 1을 참고하면, 상기한 개질 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 촉매층에 의해 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해되고, 프로톤이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동하게 되고, 전자가 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동되면서 전기를 생성하게 된다. 그리고 캐소드 전극에서는 촉매의 도움으로 물을 생성하게 된다.
한편, 전극-전해질 합성체(32)에서 미반응되고 남은 개질 가스가 바이폴라 플레이트(36)의 제1 유출구(37b) 및 스택(30)의 제1 배출관(33c)을 통해 외부로 배출되고, 전극-전해질 합성체(32)에서 미반응되고 남은 공기가 바이폴라 플레이트(36)의 제2 유출구(38b) 및 스택(30)의 제2 배출관(33d)을 통해 외부로 배출되게 된다.
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 시스템에 의하면, 전기 생성에 필요한 수소 가스와 산소의 접촉 면적이 증대되는 바이폴라 플레이트의 유출 입구 형상을 최적으로 선정함으로서, 활성 영역에 대한 수소 가스와 공기의 확산 성능을 향상시키고, 수소 가스와 공기를 공급하는데 따른 유출입구에서의 압력 손실을 저감시키며, 유입구 부근에서 스택으로부터 발생하는 열을 수소 가스와 산소로 전달하는 능력을 향상시킴은 물론 전극-전해질 합성체의 활성 영역을 더욱 확장시켜 전체적인 시스템의 효율 및 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택;
    수소를 함유한 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및
    공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하며,
    상기 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 구비되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비하고,
    상기 바이폴라 플레이트는 상기한 수소와 공기가 유출,입하는 구멍이 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 수소와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 크게 형성되며, 상기 구멍에 접촉면적 확장부를 구비하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍이 삼각형을 포함하는 다각형으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍이 정사각형을 포함하는 다각형으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍이 원형 또는 타원형으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉면적 확장부는 상기 구멍에 적어도 하나의 요홈을 형성하고 있는 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 접촉면적 확장부는 상기 구멍에 적어도 하나의 돌기를 구비하고 있는 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택과 연료 공급부 사이에, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 생성시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 스택에 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  9. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  11. 전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 포함하고,
    상기 바이폴라 플레이트는 수소와 공기가 유출,입하는 구멍이 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 수소와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 크게 형성되며, 상기 구멍에 접촉면적 확장부를 구비하는 연료 전지 시스템의 스택.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 구멍이 삼각형을 포함하는 다각형으로 이루어지는 연료 전지 시스템의 스택.
  13. 삭제
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