KR100599775B1 - 연료 전지 시스템 및 이의 스택 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 이의 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR100599775B1
KR100599775B1 KR1020040037270A KR20040037270A KR100599775B1 KR 100599775 B1 KR100599775 B1 KR 100599775B1 KR 1020040037270 A KR1020040037270 A KR 1020040037270A KR 20040037270 A KR20040037270 A KR 20040037270A KR 100599775 B1 KR100599775 B1 KR 100599775B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
air
passage
mea
total volume
Prior art date
Application number
KR1020040037270A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20050113687A (ko
Inventor
안성진
김형준
은영찬
조성용
윤해권
김잔디
권호진
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020040037270A priority Critical patent/KR100599775B1/ko
Priority to US11/133,696 priority patent/US20050266294A1/en
Priority to JP2005152244A priority patent/JP2005340210A/ja
Priority to CNB2005100792567A priority patent/CN100345327C/zh
Publication of KR20050113687A publication Critical patent/KR20050113687A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100599775B1 publication Critical patent/KR100599775B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 수소 가스와 공기를 사용하면서도 유효 전류를 얻을 수 있는 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 세퍼레이터에 의한 적층 구조로 이루어지고, 상기 세퍼레이터는, 상기 MEA의 양측에 밀착되는 밀착부분과 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 연료통로와 공기통로를 MEA의 양측에 각각 구비하며, 상기에서
Figure 112006011070245-pat00010
로서 상기 연료통로의 총 체적을 1로 기준할 때, 상기 공기통로의 총 체적을 3 초과 7 이하로 형성하여 상기 공기통로의 총 체적을 연료통로의 총 체적보다 크게 형성한다.
연료전지, 세퍼레이터, 공기통로, 연료통로, 체적 비

Description

연료 전지 시스템 및 이의 스택 {FUEL CELL SYSTEM AND THE SAME OF STACK}
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택을 분해 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택에 사용되는 세퍼레이터의 사시도이다.
도 4는 세퍼레이터의 공기통로 측 평면도이다.
도 5는 세퍼레이터의 연료통로 측 평면도이다.
본 발명은 수소와 공기를 사용하여 전류를 발생시키는 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지는 메탄올이나 천연가스 등과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 이 연료 전지는 연소 과정 없이 수소와 산소의 전기 화학 적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가진다.
이 연료 전지 중 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 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), 연료탱크, 및 연료펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료펌프는 연료탱크 내의 연료를 스택으로 공급한다. 또한, 연료 전지는 연료탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(Reformer)를 더 포함한다.
따라서, 이 PEMFC는 연료펌프의 작동으로 연료탱크 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 전류를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 편의상 DMFC라 한다) 방식을 채택하며, 이 방식에서는 PEMFC와 달리 개질기를 배제할 수 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 실질적으로 전류를 발생시키는 스택은 전극 전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly : MEA, 이하 MEA라 한다)와 세퍼레이터(separator)로 이루어지는 단위 셀을 수 개 내지 수 십 개로 적층한 구조로 이루어진다.
상기 MEA는 전해질막을 사이에 두고 양면에 각각 부착되는 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진다. 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 공급하는 연료통로 및 산소통로의 역할과 각 MEA의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시키는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.
따라서, 세퍼레이터에 의해 MEA의 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되고 캐소드 전극에는 산소 가스가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소 가스의 환원 반응이 일어난다. 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 스택에서는 전류와 열 그리고 물이 발생된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템의 스택을 형성하는 세퍼레이터는 MEA의 양측에서 각각 수소 가스를 공급하는 연료통로와 산소 가스를 공급하는 산소통로를 구비한다. 이 연료통로의 총 체적과 산소통로의 총 체적은 동일하게 형성되어 동일한 양의 수소 가스와 산소 가스를 각각 공급하여, 유효한 전력 밀도를 가지는 전류를 발생시키게 된다.
이와 같이 유효 전류를 얻기 위하여, 수소 가스와 산소 가스의 양을 동일하게 공급하여야 함에도 불구하고, 비용을 저감시키기 위하여 고가의 산소 가스 대신에 공기를 사용한다. 이 공기에는 산소가 약 21% 정도 포함되어 있다.
따라서, 산소 가스 대신에 산소가 포함된 공기를 사용하면서 동일한 유효 전류를 얻고자 하는 경우, 산소 가스를 공급하는 경우보다 더 큰 체적으로 산소통로를 형성하여 산소 가스의 양보다 더 많은 양의 공기를 공급케 함으로써, 산소 가스를 공급하는 경우와 공기를 공급하는 경우 모두 동일한 양의 산소가 공급될 수 있게 하는 것이 요구된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로, 그 목적은 수소 가스와 공기를 사용하면서도 유효 전류를 얻을 수 있는 연료 전지 시스템 및 이의 스택을 제공하는 것이다.
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 세퍼레이터에 의한 적층 구조로 이루어지고,
상기 세퍼레이터는,
상기 MEA의 양측에 밀착되는 밀착부분과 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 연료통로와 공기통로를 MEA의 양측에 각각 구비하며,
상기에서
Figure 112006011070245-pat00011
로서 상기 연료통로의 총 체적을 1로 기준할 때, 상기 공기통로의 총 체적을 3 초과 7 이하로 형성하여 상기 공기통로의 총 체적을 연료통로의 총 체적보다 크게 형성한다.
상기 연료 공급부는 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료탱크와, 이 연료탱크를 스택의 연료통로에 연결하는 연료펌프로 구성된다.
상기 공기 공급부는 스택의 공기통로에 연결되는 공기펌프로 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택은,
연료 전지 시스템의 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA와 이 MEA의 양면에 배치되는 세퍼레이터에 의한 적층 구조로 이루어지고,
상기 세퍼레이터는 상기 MEA의 양측에 밀착되는 밀착부분과 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 연료통로와 공기통로를 MEA의 양측에 각각 구비하며,
상기에서
Figure 112006011070245-pat00012
로서 상기 연료통로의 총 체적을 1로 기준할 때, 상기 공기통로의 총 체적을 3 초과 7 이하로 형성하여 상기 공기통로의 총 체적을 연료통로의 총 체적보다 크게 형성한다.
삭제
상기 세퍼레이터는 그 일측 면에 연료통로를 형성하고, 다른 일측 면에 공기통로를 형성한다.
상기 연료통로는 세퍼레이터의 일측 면에 굴곡 형성되고, 공기통로는 세퍼레이터의 다른 일면에 한 방향으로 곧게 형성된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도 이다.
이 도면을 참조하여 본 실시예의 연료 전지 시스템을 설명하면, 이 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 연료탱크(9)와 연료펌프(11)를 구비하여, 연료탱크(9) 내의 메탄올, 에탄올, 또는 천연 가스와 같이 수소를 포함한 액상의 연료를 연료펌프(11)의 구동에 의하여 개질기(3)로 공급하고, 이 개질기(3)를 통하여 개질된 수소 가스를 스택(7) 내부로 공급한다. 즉 연료탱크(9)는 연료펌프(11)를 통하여 스택(7)에 연결된다.
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.
상기 공기 공급부(5)는 공기펌프(13)를 구비하여 산소가 포함된 공기를 스택(7) 내부로 공급하도록 구성된다. 즉 이 스택(7)에는 수소 가스와 각각 별도의 통로를 통하여 독립적으로 공기가 공급된다.
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 그 부산물로써 열과 물을 발생시키도록 구성되어 있다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택을 분해 도시한 분해 사시도이다.
이 도면을 참조하여 스택(7)을 설명하면, 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(15)들로 이루어져 있다.
이 단위 셀(15)들 각각은 전기를 발생시키는 최소 단위이며, 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시키는 MEA(17)와 이 MEA(17)의 양측에 수소와 산소를 함유한 공기를 공급하기 위한 세퍼레이터(19, 21)로 구성되어 있다.
이 단위 셀(15)은 MEA(17)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(19, 21)를 배치하여 단일 스택을 형성하며, 이 단일 스택이 복수로 구비되어, 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(7)을 형성한다. 이 단위 셀(15)들은 이의 외곽을 관통하는 볼트(미도시)와 이 볼트에 체결되는 너트와 같은 체결수단에 의하여 적층 구조의 스택(7)을 형성한다.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택에 사용되는 세퍼레이터의 사시도이고, 도 4는 세퍼레이터의 공기통로 측 평면도이며, 도 5는 세퍼레이터의 연료통로 측 평면도이다.
이 도면들을 참조하여 세퍼레이터(19, 21)를 설명하면, 이 세퍼레이터(19, 21)들은 MEA(17)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 이 MEA(17)의 양측에 각각 공기통로(23)와 연료통로(25)를 형성한다.
이 공기통로(23)는 공기펌프(13)에 연결되어 이로부터 산소를 함유한 공기를 공급받고, 연료통로(25)는 연료펌프(11)를 개재한 연료탱크(9)에 연결되어 이로부터 수소를 함유한 연료를 공급받는다.
이를 위하여 공기통로(23)는 그 일측에 공기펌프(13)와 연결되는 공기 유입구(27)를 구비하고, 미반응 공기를 배출시키도록 다른 일측에 공기 배출구(29)를 구비하고 있다. 또한 연료통로(27)는 그 일측에 연료펌프(11)와 직접 또는 개질기(3)를 개재하여 연결되는 연료 유입구(31)를 구비하고, 미반응 연료를 배출시키도록 다른 일측에 연료 배출구(33)를 구비하고 있다.
이 공기통로(23) 및 연료통로(25)는 MEA(17)와 이의 양면에 밀착되는 세퍼레이터(19, 21) 사이에서 상호 밀착되는 부분과 이격되는 부분에 의하여 일정한 체적을 형성한다. 이 MEA(17)에 밀착되는 부분은 리브(rib, 23a, 25a)로써 세퍼레이터(19, 21)에서 돌출 형성되고, MEA(21)와 이격되는 부분은 채널(channel, 23b, 25b)로써 세퍼레이터(19, 21)서 오목하게 형성되며, 이러한 리브(23a, 25a)와 채널(23b, 25b)들에 의하여 상기한 공기통로(23) 및 연료통로(25)가 형성된다. 이 공기통로(23)는 MEA(17)의 캐소드 전극(미도시)측에 배치되고, 연료통로(25)는 MEA(17)의 애노드 전극 측에 배치된다.
여기서, 상기 공기통로(23) 및 연료통로(25)는 각기 상기 세퍼레이터(19, 21)에 임의의 간격을 유지하는 채널(23b, 25b)과 리브(23a, 25a)의 교호적 배치에 의하여 형성된다. 이 공기통로(23) 및 연료통로(25)는 각각 하나로 연장 형성될 수도 있으나, 공기 및 연료의 공급 압력을 낮출 수 있도록 다수 개가 하나의 조를 형 성하여 배치될 수도 있다. 또한, 이 공기통로(23) 및 연료통로(25)는 세퍼레이터(19, 21)의 일측면에 굴곡 형성되거나 한 방향으로 곧게 형성될 수도 있다. 본 실시예는 세퍼레이터(19, 21)의 일측 면에 공기통로(23)를 곧게 형성하고, 다른 일측면에 연료통로(25)를 굴곡 형성한 것을 도시한다. 또한 이 공기통로(23) 및 연료통로(25)는 그 신장 방향이 직각으로 교차하게 배치될 수도 있으나 본 실시예는 동일한 방향으로 평행하게 형성된 것을 도시한다.
그리고, 공기통로(23)는 상기 연료통로(25)와 같이 대략 상하 방향으로 곧게 형성되고 그 상측이 하나로 연결되고 그 하측이 또한 하나로 연결되어 세퍼레이터(19, 21)의 일측에 다수로 형성되어 공기를 공급한다. 연료통로(25)는 대략 상하 방향으로 직선을 이루고 그 상측이 수 개씩 상호 연결되고 하측이 이웃한 수 개씩 상호 연결되어 세퍼레이터(19, 21)의 일측에 연속되는 사행(蛇行) 형상의 통로를 형성하여 연료를 공급한다.
또한, 이 공기통로(23)는 단순히 상측에서 하측으로 공기를 공급하게 배치되고, 연료통로(25)는 상측에서 하측으로 하측에서 상측으로 반복되는 구조로 연료를 공급하게 배치된다. 따라서 이 공기통로(23) 및 연료통로(25)는 그 개수 및 형성 방향을 상기에 한정하지 않고 다양하게 구현할 수 있다.
상기와 같은 공기통로(23)는 산화/환원 반응을 일으키는 순수한 산소 가스를 공급하는 것이 아니라 반응에 필요한 산소가 21% 정도 포함된 공기를 공급한다. 따라서 이 공기통로(23)는 연료통로(25)로 공급되는 수소에 대응하여 안정된 반응을 일으키는 양의 공기를 공급할 수 있도록 연료통로(25)보다 큰 체적으로 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 공기통로(23)가 형성하는 총 체적은 연료통로(25)가 형성하는 총 체적보다 크게 형성되는 것이 바람직하다. 이 공기통로(23)의 총 체적은 도 4에 도시된 바와 같이 전체 세퍼레이터(19, 21)에 걸쳐 형성된 각 채널(23b)들의 체적을 합한 것을 의미하고, 연료통로(25)의 총 체적은 도 5에 도시된 바와 같이 전체 세퍼레이터(19, 21)에 걸쳐 형성된 각 채널(25b)들의 체적을 합한 것을 의미한다. 이와 같이 연료통로(25)의 총 체적보다 큰 체적으로 형성되는 공기통로(23)는 충분한 공기량을 공급하여 연료통로(25)로 공급되는 수소와 산화/화원 반응하는 산소가 함유된 공기를 안정적으로 공급하게 된다.
이때,
Figure 112004022116864-pat00002
인 것이 바람직하다. 즉 연료통로(25)의 총 체적을 기준 1로 볼 때, 공기통로(23)의 총 체적을 3 내지 7로 형성하는 것이 바람직하다. 이 공기통로(23)의 총 체적을 증대시키면 일정 양으로 공급되는 연료에 비하여 공급되는 공기의 양이 증대되는 것을 의미한다.
이 연료통로(25)의 총 체적 1을 기준을 할 때, 공기통로(23)의 총 체적이 3미만인 경우에는 공급되는 공기에 포함된 산소량이 연료통로(25)로 공급되는 연료와 충분히 산화/환원 반응을 일으키지 못하게 되어 유효 전력 밀도를 가지는 전류를 얻지 못하게 된다.
또한, 연료통로(25)의 총 체적 1을 기준을 할 때, 공기통로(23)의 총 체적이 7초과인 경우에는 산화/환원 반응에 필요한 산소량 이상의 공기를 공급하여 공기 공급에 필요 이상의 전류를 사용하게 되고, 공기통로(23) 내의 공급 압력을 필요 이상으로 높게 한다.
따라서, 공급되는 공기에 산소가 20% 정도 함유되므로 이 공기를 공급하는 공기통로(23)는 상기 범위 내로 한정되는 것이 바람직하다.
이와 같이 공기통로(23)와 연료통로(25)의 총 체적 비는 다양한 방법으로 결정될 수 있다. 즉 연료통로(25)의 총 체적을 기준으로 한 상태에서, 공기통로(23)에서 채널(23b)의 폭과 길이를 일정하게 하면서 깊이를 증대하거나, 채널(23b)의 폭과 깊이를 일정하게 하면서 길이를 증대시키는 등 다양한 방법으로 상기 총 체적 비를 실현할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 스택(7)은 아래와 같은 반응식에 따라 전류를 발생시킨다.
애노드 전극 반응: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극 반응: O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체 반응: H2 + O2 → H2O + 전류 + 열
이 반응식을 참고하면, 세퍼레이터(19, 21)를 통해 MEA(17)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 이 수소 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 촉매층에서 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해된다. 이 프로톤이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에 서 전자와 산소이온 그리고 이동된 프로톤이 합쳐져서 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 스택(7)은 이러한 과정을 거치면서 전기를 생성하게 된다.
이와 같이 MEA(17)의 애노드 전극 측으로 수소 가스를 공급하는 연료통로(25)와 캐소드 전극 측으로 공기를 공급하는 공기통로(23)는 상기한 바와 같은 총 체적 비율(比率)로 형성됨으로써, 산화/환원 반응에 필요한 산소, 즉 공기를 최적의 양으로 공급하게 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 시스템 및 이의 스택에 의하면, 세퍼레이터의 일측 면에 형성되는 공기통로의 체적을 다른 일측 면에 형성되는 연료통로의 체적보다 크게 형성하여 연료의 양보다 공기의 양을 더 많이 공급케 함으로서, 연료인 수소 가스와 이에 상응하는 산소를 포함한 공기를 최적의 비율로 공급케 하여, 공기를 공급하면서도 산소 가스를 공급하는 경우와 같은 유효 전력 밀도를 가지는 전류를 얻는 효과가 있다.

Claims (9)

  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 MEA(Membrane Electrode Assembly)와 이 MEA의 양면에 배치되는 세퍼레이터에 의한 적층 구조로 이루어지고,
    상기 세퍼레이터는,
    상기 MEA의 양측에 밀착되는 밀착부분과 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 연료통로와 공기통로를 MEA의 양측에 각각 구비하며,
    상기에서
    Figure 112006011070245-pat00013
    로서 상기 연료통로의 총 체적을 1로 기준할 때, 상기 공기통로의 총 체적을 3 초과 7 이하로 형성하여 상기 공기통로의 총 체적을 연료통로의 총 체적보다 크게 형성하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료탱크와, 이 연료탱크를 스택의 연료통로에 연결하는 연료펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 공급부는 스택의 공기통로에 연결되는 공기펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 그 일측 면에 연료통로를 형성하고, 다른 일측 면에 공기통로를 형성하는 연료 전지 시스템.
  6. 연료 전지 시스템의 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA와 이 MEA의 양면에 배치되는 세퍼레이터에 의한 적층 구조로 이루어지고,
    상기 세퍼레이터는 상기 MEA의 양측에 밀착되는 밀착부분과 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 연료통로와 공기통로를 MEA의 양측에 각각 구비하며,
    상기에서
    Figure 112006011070245-pat00014
    로서 상기 연료통로의 총 체적을 1로 기준할 때, 상기 공기통로의 총 체적을 3 초과 7 이하로 형성하여 상기 공기통로의 총 체적을 연료통로의 총 체적보다 크게 형성하는 연료 전지 시스템의 스택.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 그 일측 면에 연료통로를 형성하고, 다른 일측 면에 공기통로를 형성하는 연료 전지 시스템의 스택.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료통로는 세퍼레이터의 일측 면에 굴곡 형성되고, 공기통로는 세퍼레이터의 다른 일면에 한 방향으로 곧게 형성되는 연료 전지 시스템의 스택.
KR1020040037270A 2004-05-25 2004-05-25 연료 전지 시스템 및 이의 스택 KR100599775B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040037270A KR100599775B1 (ko) 2004-05-25 2004-05-25 연료 전지 시스템 및 이의 스택
US11/133,696 US20050266294A1 (en) 2004-05-25 2005-05-19 Stack and fuel cell system having the same
JP2005152244A JP2005340210A (ja) 2004-05-25 2005-05-25 燃料電池システム及びスタック
CNB2005100792567A CN100345327C (zh) 2004-05-25 2005-05-25 电池堆和具有该电池堆的燃料电池系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040037270A KR100599775B1 (ko) 2004-05-25 2004-05-25 연료 전지 시스템 및 이의 스택

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050113687A KR20050113687A (ko) 2005-12-05
KR100599775B1 true KR100599775B1 (ko) 2006-07-13

Family

ID=35425697

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040037270A KR100599775B1 (ko) 2004-05-25 2004-05-25 연료 전지 시스템 및 이의 스택

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20050266294A1 (ko)
JP (1) JP2005340210A (ko)
KR (1) KR100599775B1 (ko)
CN (1) CN100345327C (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102140126B1 (ko) 2016-11-14 2020-07-31 주식회사 엘지화학 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지
WO2018088701A1 (ko) * 2016-11-14 2018-05-17 주식회사 엘지화학 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6348766A (ja) * 1986-08-14 1988-03-01 Kureha Chem Ind Co Ltd リブ高さの異なる複合電極基板及びその製造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1147566A2 (en) * 1998-12-30 2001-10-24 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell fluid flow field plate and methods of making fuel cell flow field plates
US6746789B1 (en) * 2000-06-13 2004-06-08 Hydrogenics Corporation Catalytic humidifier and heater for the fuel stream of a fuel cell
JP3431021B2 (ja) * 2001-05-24 2003-07-28 日産自動車株式会社 車両用燃料電池システム
CN1459881A (zh) * 2002-05-23 2003-12-03 亚太燃料电池科技股份有限公司 燃料电池组的组合极板的流场
TW581327U (en) * 2002-12-04 2004-03-21 Asia Pacific Fuel Cell Tech Integrated dual electrode plate module of fuel cell set

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6348766A (ja) * 1986-08-14 1988-03-01 Kureha Chem Ind Co Ltd リブ高さの異なる複合電極基板及びその製造方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1020040037270 - 583668
63048766

Also Published As

Publication number Publication date
US20050266294A1 (en) 2005-12-01
JP2005340210A (ja) 2005-12-08
CN100345327C (zh) 2007-10-24
CN1707834A (zh) 2005-12-14
KR20050113687A (ko) 2005-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2061112A1 (en) Fuel cell stack
US20060014056A1 (en) Reformer and fuel cell system having the same
KR20070037207A (ko) 분리판 및 이를 채용한 연료전지
KR100627373B1 (ko) 연료 전지용 스택
US7674542B2 (en) Fuel cell system
KR100599775B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 이의 스택
KR100599777B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 이의 스택
KR100684781B1 (ko) 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 장치
KR100560495B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
KR100529080B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택
KR100673746B1 (ko) 연료전지용 세퍼레이터, 이를 채용한 스택 및 연료전지
KR100536239B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR100599690B1 (ko) 연료전지 시스템 및 그 스택
KR20050095156A (ko) 연료 전지 시스템, 이에 사용되는 스택 및 바이폴라플레이트
KR100570698B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기
KR101122574B1 (ko) 연료 전지 시스템, 이에 사용되는 스택 및 세퍼레이터
KR101126204B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR100542202B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택
KR100599715B1 (ko) 연료전지 시스템, 스택, 및 세퍼레이터
KR100529081B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택
KR100570687B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR101173857B1 (ko) 연료 전지 시스템, 스택, 및 세퍼레이터
KR100599773B1 (ko) 휴대형 전자기기용 연료 전지 시스템
KR20060034426A (ko) 연료 전지 시스템
KR20060102131A (ko) 연료 전지용 스택 및 이를 구비한 연료 전지 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130621

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140701

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150623

Year of fee payment: 10

LAPS Lapse due to unpaid annual fee