KR100599776B1 - 연료 전지 시스템 및 그 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부; 산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 히트 캐리어를 공급하는 히트 캐리어 공급부; 및 상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 전극-전해질 합성체(MEA)의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하는 스택을 포함하며, 상기 스택은 전기 발생부들을 냉각시키도록 상기 세퍼레이터에 형성되어 상기 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하고, 상기 쿨링 채널들은 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비하며, 상기 접촉면적 확장부는 상기 쿨링 채널의 표면 전체에 대하여 엠보싱 형태로 돌출되게 형성되면서 구형의 돌기면을 갖는 다수의 돌기들을 포함한다.
연료전지, 스택, 개질기, 전기발생부, 세퍼레이터, 냉각, 쿨링, 히트캐리어, 쿨링채널, 접촉면적, 확장부, 엠보싱, 돌기, 요홈

Description

연료 전지 시스템 및 그 스택 {FUEL CELL SYSTEM AND STACK OF THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 스택의 제1 실시예를 분해 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 스택의 제2 실시예를 분해 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시한 스택의 제3 실시예를 분해 도시한 사시도이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 도 2 내지 도 4에 도시된 스택에 형성된 쿨링 채널의 제1 실시예의 일부를 분해 도시한 사시도 및 결합된 상태의 단면도이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 도 2 내지 도 4에 도시된 스택에 형성된 쿨링 채널의 제2 실시예의 일부를 분해 도시한 사시도 및 결합된 상태의 단면도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템 및 그 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택의 냉각 구조를 개선한 연료 전지 시스템 및 그 스택에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일 어나는 전기 화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료 전지는 연소 과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가지고 있다.
근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 PEMFC라 한다)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있다.
상기와 같은 PEMFC가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 필요하다. 따라서, PEMFC는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly : MEA, 이하 MEA라 한다)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate) 또는 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. MEA는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 산소 가스와 연료 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 MEA의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소를 함유하는 연료가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소를 함유한 산소 가스가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료 가스의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소 가스의 전기 화학적인 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
이러한 연료 전지 시스템은 스택을 적정한 구동 온도로 유지하여야 전해질막의 안정성을 보장하고 성능 저하를 방지하게 된다. 이를 위해 스택은 내부에 쿨링 채널을 구비하고, 이 쿨링 채널을 통하여 저온의 공기 또는 물을 흘려 스택 내부에서 발생되는 열을 냉각시키게 된다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템의 냉각 구조에 따르면, 쿨링 채널의 내표면이 평탄한 형태를 이루고 있는 바, 쿨링 채널의 단위 면적당 공기 또는 물의 접촉 면적이 한정되므로, 쿨링 채널에 대한 히트 캐리어의 열전달에 한계를 가지게 되어 전체적으로 냉각 효율이 떨어지게 되는 문제점을 가진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 스택의 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 쿨링 채널의 구조를 개선한 연료 전지 시스템 및 그 스택을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부; 산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 히트 캐리어를 공급하는 히트 캐리어 공급부; 및 상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 전극-전해질 합성체(MEA)의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하는 스택을 포함하며, 상기 스택은 전기 발생부들을 냉각시키도록 상기 세퍼레이터에 형성되어 상기 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하고, 상기 쿨링 채널들은 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비하며, 상기 접촉면적 확장부는 상기 쿨링 채널의 표면 전체에 대하여 엠보싱 형태로 돌출되게 형성되면서 구형의 돌기면을 갖는 다수의 돌기들을 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 쿨링 채널은 세퍼레이터에 형성될 수 있다. 이 경우 상기 쿨링 채널은 세퍼레이터의 일면에 일부 형성되고, 이에 대향 밀착 배치되는 세퍼레이터의 일면에 일부 형성되어, 하나의 쿨링 채널을 완성할 수 있다. 그리고 상기 쿨링 채널은 세퍼레이터의 MEA 반대측에 형성되거나 세퍼레이터의 양면에 형성되고, MEA의 비활성 영역에 대응하는 세퍼레이터에 형성될 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부; 산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 히트 캐리어를 공급하는 히트 캐리어 공급부; 및 상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 전극-전해질 합성체(MEA)의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하는 스택을 포함하며, 상기 스택은 전기 발생부들을 냉각시키도록 상기 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하고, 상기 쿨링 채널들은 상기 전기 발생부들 사이에 개재되는 쿨링 플레이트에 형성되며, 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비한다.
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또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부; 산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 히트 캐리어를 공급하는 히트 캐리어 공급부; 및 상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 전극-전해질 합성체(MEA)의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하는 스택을 포함하며, 상기 스택은 전기 발생부들을 냉각시키도록 상기 세퍼레이터에 형성되어 상기 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하고, 상기 쿨링 채널들은 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비하며, 상기 접촉면적 확장부는 상기 쿨링 채널의 표면 전체에 대하여 오목한 형태로 라운드되게 형성되는 다수의 요홈들을 포함한다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 스택과 연료 공급부 사이에, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 생성시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 스택에 연결 설치될 수도 있다.
아울러 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택은, 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하고, 이 전기 발생부들를 냉각시키도록 상기 세퍼레이터에 형성되어 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하며, 상기 쿨링 채널들은 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비하고, 상기 접촉면적 확장부는 상기 쿨링 채널의 표면 전체에 대하여 엠보싱 형태로 돌출되게 형성되면서 구형의 돌기면을 갖는 다수의 돌기들을 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택에 있어서, 상기 쿨링 채널은 세퍼레이터에 형성될 수 있다. 이 경우 상기 쿨링 채널은 세퍼레이터의 일면에 일부 형성되고, 이에 대향 밀착 배치되는 세퍼레이터의 일면에 일부 형성되어, 하나의 쿨링 채널을 완성할 수 있다. 그리고 상기 쿨링 채널은 세퍼레이터의 MEA 반대측에 형성되거나 세퍼레이터의 양면에 형성되고, MEA의 비활성 영역에 대응하는 세퍼레이터에 형성될 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택은, 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하고, 이 전기 발생부들를 냉각시키도록 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하며, 상기 쿨링 채널들은 상기 전기 발생부들 사이에 개재되는 쿨링 플레이트에 형성되며, 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비한다.
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또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택은, 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하고, 이 전기 발생부들를 냉각시키도록 상기 세퍼레이터에 형성되어 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하며, 상기 쿨링 채널들은 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비하고, 상기 접촉면적 확장부는 상기 쿨링 채널의 표면 전체에 대하여 오목한 형태로 라운드되게 형성되는 다수의 요홈들을 포함한다.
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 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산소를 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채 용한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같이 수소를 함유한 협의(狹義)의 연료 이 외에, 광의(廣義)의 연료로서 물 및 산소가 더욱 포함된다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 상기 협의의 연료로서 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의한다.
그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소 연료로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유한 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 상기한 산소 연료로서 공기를 사용하는 후자의 예를 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기(18)와, 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(16)과, 상기 연료를 개질기(18)로 공급하는 연료 공급부(10)와, 공기를 스택(16)으로 공급하는 공기 공급부(12)를 포함하여 구성된다.
대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 수소를 함유한 액상의 연료를 직접 스택(16)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 위와 같은 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 도 1에 도시한 개질기(18)가 배제된 구조를 갖는다. 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(18)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기의 구조를 갖는다. 부연 설명하면, 상기 개질기(18)는 일 례로서, 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 개질기(18)는 일 례로서, 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
상기 연료 공급부(10)는 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(22)와, 연료 탱크(22)에 저장된 연료를 배출시키도록 연료 탱크(22)에 연결 설치되는 연료 펌프(24)를 구비한다. 이 연료 탱크(22) 및 연료 펌프(24)는 개질기(18)에 연료를 공급할 수 있도록 연결된다.
상기 공기 공급부(12)는 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 스택(16)으로 압송하는 공기 펌프(26)를 포함하며, 이 공기 펌프(26)는 스택(16)으로 공기를 공급할 수 있도록 연결된다.
그리고 상기한 연료 공급부(10)와 공기 공급부(12)로부터 연료 및 공기를 공급받아 전기를 발생시키는 스택(16)은 도 2 내지 도 9를 참조하여 설명한다.
도 2, 도 3, 및 도 4는 도 1에 도시한 스택(16)의 제1, 제2, 및 제3 실시예를 각각 분해 도시한 사시도이다.
이 도면을 참조하여 스택(16)을 설명하면, 이 스택(16)은 개질기(18)를 통하여 공급되는 수소 가스와 공기 공급부(12)로부터 공급되는 공기를 전기 화학적인 반응으로 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(30)들을 구비하고 있다.
상기 전기 발생부(30)들은 각각 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하며, 수소 가스와 공기를 산화/환원시키는 MEA(32)와 수소 가스와 공기를 각각 MEA(32)로 공급하는 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 한다)(34)로 형성된다. 이 전기 발생부(30)는 MEA(32)를 중심에 두고 이의 양측에 배치되는 세퍼레이터(34)로 형성된다. 이와 같은 전기 발생부(30)들을 연속적으로 배치하여 하나의 연료 전지를 구성하게 된다.
상기 MEA(32)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 구조로 이루어진다. 애노드 전극은 세퍼레이터(34)를 통해 수소 가스를 공급받는 부분으로서, 산화 반응에 의해 수소 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer)으로 구성된다. 캐소드 전극은 세퍼레이터(34)를 통해 공기를 공급받는 부분으로서 환원 반응에 의해 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 그 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
이러한 전기 발생부(30)는 다음의 반응식과 같은 반응에 따라 전기와 물을 생성시킨다.
애노드 전극 반응: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극 반응: O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체 반응: H2 + O2 → H2O + 전류
즉, 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소 가스를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(34)를 통해 이웃하는 MEA(32)의 캐소드 전극으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 또한 캐소드 전극에서는 상기 이동된 프로톤 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 수분을 생성하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기 발생부(30)의 산화/환원 반응시, 상기 전기 발생부(30)에서는 열이 발생하게 된다. 이 열은 MEA(32)를 건조시켜 스택(16)의 성능을 저하시키는 요인으로 작용한다.
이에 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 히트 캐리어를 스택(16) 내부로 순환시켜 전기 발생부(30)로부터 발생하는 열을 냉각시킬 수 있는 구조를 갖는다.
이를 위하여, 본 시스템(100)은 상기 히트 캐리어를 스택(16) 내부로 공급하 는 히트 캐리어 공급부(14)와, 히트 캐리어 공급부(28)로부터 공급되는 히트 캐리어를 상기 전기 발생부(30)로 흘려 줄 수 있도록 스택(16)에 설치되는 쿨링 채널(36)을 구비한다.
상기 히트 캐리어 공급부(14)는 소정의 펌핑력으로 히트 캐리어를 흡입하여 압송하는 통상적인 펌프(28)를 포함하며, 이 펌프(26)는 스택(16) 내부의 전기 발생부(30)로 히트 캐리어를 공급할 수 있도록 연결되어 있다. 본 발명에서 히트 캐리어는 액체 상태의 냉각수일 수도 있으나 기체 상태인 것이 보다 더 바람직하다. 따라서 자연 상태에서 쉽게 취할 수 있고 구동 중 스택(16) 내부의 온도 보다 낮은 공기가 히트 캐리어로 사용될 수 있다.
상기한 쿨링 채널(36)은 스택(16)내의 전기 발생부(30)에서 발생된 열을 히트 캐리어를 통해 냉각시키기 위한 것으로서, 스택(16) 내의 다양한 위치에 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
도 2 및 도 3은 세퍼레이터(34)에 쿨링 채널(36)을 형성하고, 도 4는 쿨링 플레이트(38)에 쿨링 채널(36)을 형성한 것을 예시하고 있다.
도 2의 쿨링 채널(36)은 세퍼레이터(34)의 일면에 일부(36a) 형성되고, 이에 대향 밀착 배치되는 세퍼레이터(34)의 일면에 일부(26b) 형성되어, 하나로 완성된다. 이렇게 형성되는 쿨링 채널(36)은 세퍼레이터(34)의 MEA(32) 반대측에 형성되어, MEA(32)의 전 영역, 즉 활성 영역(32a)과 비활성 영역(32b)에 걸쳐 냉각 작용하므로 우수한 냉각 성능을 가진다.
도 3의 쿨링 채널(36)은 세퍼레이터(34)의 양면에 형성되어 있다. 이 세퍼레 이터(34)는 일측 MEA(32)의 활성 영역(32a)에 수소 가스를 공급하고, 다른 일측 MEA(32)의 활성 영역(32a)에 공기를 공급하도록 그 양측에 수소 통로(34a) 및 공기 통로(34b)를 형성하고 있다. 따라서 이 세퍼레이터(34)는 MEA(32)의 활성 영역(32a)을 제외한 비활성 영역(32b)만을 냉각시키게 된다.
도 4의 쿨링 채널(36)은 쿨링 플레이트(38)에 형성되어 있다. 이 쿨링 플레이트(38)는 MEA(32)를 사이에 두고 그 양면에 배치되는 세퍼레이터(34)로 형성되는 전기 발생부(30)들 사이에 개재되어 있다. 즉 도 4의 스택(16)은 도 2 및 도 3의 스택(16)에 비하여 쿨링 플레이트(38)를 더 구비하고 있다. 이 쿨링 플레이트(38)는 MEA(32)의 전 영역에 걸쳐 냉각 작용하므로 우수한 냉각 성능을 가지게 한다.
도 5의 (a) 및 (b)는 도 2 내지 도 4에 도시된 스택에 형성된 쿨링 채널의 제1 실시예의 일부를 분해 도시한 사시도 및 결합된 상태의 단면도이다.
상기와 같이 구성되는 쿨링 채널(36)은 그 내부로 공급되는 히트 캐리어의 접촉 면적을 향상시키기 위한 접촉면적 확장부(40)를 구비하고 있다.
본 실시예에 따르면, 이와 같은 접촉면적 확장부(40)는 쿨링 채널(36)의 내부 표면으로부터 둥글 둥글한 엠보싱 형태로 돌출 형성되며, 구형의 돌기면을 갖는 다수의 돌기(41)들을 포함하고 있다. 상기 돌기(41)들은 쿨링 채널(36)의 표면에 대해 세퍼레이터(34) 또는 쿨링 플레이트(38)와 일체로 돌출 형성되어 쿨링 채널(36)의 전체 표면에 대한 히트 캐리어의 접촉 면적을 증대시킨다. 이와 같이 돌기(41)의 돌기면을 구형으로 형성하는 이유는 쿨링 채널(36)의 내부로 공급되는 히트 캐리어의 흐름에 저항으로 작용하지 않게 하기 위함이다.
이와 같이 쿨링 채널(36)의 내표면에 돌기(41)들을 형성하고 있는 세퍼레이터(34) 또는 쿨링 플레이트(38)는 일 례로서, 분말 상태의 탄소 복합재를 압축 몰딩하거나 금속 소재를 사출 성형하여 제조될 수 있다.
따라서 전기 발생부(30)의 전기 발생시 히트 캐리어 공급부(14)를 통해 쿨링 채널(36)의 내부로 히트 캐리어를 흘려주게 되면, 히트 캐리어가 돌기(41)들의 돌기면에 접촉되면서, 전기 발생부(30)로부터 발생되는 열을 냉각시킨다. 이 때 접촉면적 확장부(40)의 돌기(41)들은 한정된 쿨링 채널(36)의 깊이 내에서 히트 캐리어의 접촉 면적을 증대시킨다. 부연 설명하면, 쿨링 채널(36)의 내표면에 형성된 돌기(41)들에 의해 히트 캐리어와 쿨링 채널(36)의 전체 표면과의 단위 부피당 접촉 면적이 증가하게 되므로, 단위 시간당 전기 발생부(30)의 열 에너지와 히트 캐리어에 대한 열 교환량을 극대화시킬 수 있다. 이로써 스택(16)의 전체 영역에 대해 적절한 온도 구배를 제공함으로써 전기 발생부(30)의 냉각 효율을 더욱 향상시키게 된다.
도 6의 (a) 및 (b)는 도 2 내지 도 4에 도시된 스택에 형성된 쿨링 채널의 제2 실시예의 일부를 분해 도시한 사시도 및 결합된 상태의 단면도이다.
본 실시예에 따르면, 쿨링 채널(36)의 접촉면적 확장부(40)는 이 쿨링 채널(36)의 표면 전체에 대하여 다수의 요홈(42)들을 형성하고 있다. 상기한 요홈(42)들은 쿨링 채널(36)의 내표면에 오목한 형태로 라운드되게 형성된다.
이러한 요홈(42)을 갖는 본 실시예에 의한 접촉면적 확장부(40)는 전기 제1 실시예에 따른 엠보싱 돌기와 같이 한정된 쿨링 채널(36)의 깊이 내에서 히트 캐리 어의 단위 부피당 접촉 면적을 증대시킬 수 있다.
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.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템 및 그 스택에 의하면, 스택 내에 쿨링 채널을 형성하고 이 쿨링 채널에 히트 캐리어의 접촉 면적을 증대시키기 위한 접촉면적 확장부를 구비함으로서, 스택의 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (21)

  1. 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부;
    산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부;
    히트 캐리어를 공급하는 히트 캐리어 공급부; 및
    상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 전극-전해질 합성체(MEA)의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하는 스택을 포함하며,
    상기 스택은 전기 발생부들을 냉각시키도록 상기 세퍼레이터에 형성되어 상기 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하고,
    상기 쿨링 채널들은 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비하며,
    상기 접촉면적 확장부는 상기 쿨링 채널의 표면 전체에 대하여 엠보싱 형태로 돌출되게 형성되면서 구형의 돌기면을 갖는 다수의 돌기들을 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 쿨링 채널은 세퍼레이터에 형성되는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 쿨링 채널은 세퍼레이터의 일면에 일부 형성되고, 이에 대향 밀착 배치되는 세퍼레이터의 일면에 일부 형성되어, 하나의 쿨링 채널을 완성하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 쿨링 채널은 세퍼레이터의 MEA 반대측에 형성되는 연료 전지 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 쿨링 채널은 세퍼레이터의 양면에 형성되는 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 쿨링 채널은 MEA의 비활성 영역에 대응하는 세퍼레이터에 형성되는 연료 전지 시스템.
  7. 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부;
    산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부;
    히트 캐리어를 공급하는 히트 캐리어 공급부; 및
    상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 전극-전해질 합성체(MEA)의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하는 스택을 포함하며,
    상기 스택은 전기 발생부들을 냉각시키도록 상기 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하고,
    상기 쿨링 채널들은 상기 전기 발생부들 사이에 개재되는 쿨링 플레이트에 형성되며, 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비하는 연료 전지 시스템.
  8. 삭제
  9. 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부;
    산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부;
    히트 캐리어를 공급하는 히트 캐리어 공급부; 및
    상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 전극-전해질 합성체(MEA)의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하는 스택을 포함하며,
    상기 스택은 전기 발생부들을 냉각시키도록 상기 세퍼레이터에 형성되어 상기 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하고,
    상기 쿨링 채널들은 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비하며,
    상기 접촉면적 확장부는 상기 쿨링 채널의 표면 전체에 대하여 오목한 형태로 라운드되게 형성되는 다수의 요홈들을 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 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.
  11. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  13. 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하고, 이 전기 발생부들를 냉각시키도록 상기 세퍼레이터에 형성되어 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하며,
    상기 쿨링 채널들은 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비하고,
    상기 접촉면적 확장부는 상기 쿨링 채널의 표면 전체에 대하여 엠보싱 형태로 돌출되게 형성되면서 구형의 돌기면을 갖는 다수의 돌기들을 포함하는 연료 전지 시스템의 스택.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 쿨링 채널은 세퍼레이터에 형성되는 연료 전지 시스템의 스택.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 쿨링 채널은 세퍼레이터의 일면에 일부 형성되고, 이에 대향 밀착 배치되는 세퍼레이터의 일면에 일부 형성되어, 하나의 쿨링 채널을 완성하는 연료 전지 시스템의 스택.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 쿨링 채널은 세퍼레이터의 MEA 반대측에 형성되는 연료 전지 시스템의 스택.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 쿨링 채널은 세퍼레이터의 양면에 형성되는 연료 전지 시스템의 스택.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 쿨링 채널은 MEA의 비활성 영역에 대응하는 세퍼레이터에 형성되는 연 료 전지 시스템의 스택.
  19. 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하고, 이 전기 발생부들를 냉각시키도록 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하며,
    상기 쿨링 채널들은 상기 전기 발생부들 사이에 개재되는 쿨링 플레이트에 형성되며, 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비하는 연료 전지 시스템의 스택.
  20. 삭제
  21. 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부들을 구비하고, 이 전기 발생부들를 냉각시키도록 상기 세퍼레이터에 형성되어 히트 캐리어 공급부로부터 공급되는 히트 캐리어를 흘려주는 쿨링 채널들을 구비하며,
    상기 쿨링 채널들은 상기 히트 캐리어의 접촉 면적을 실질적으로 증가시키는 접촉면적 확장부를 구비하고,
    상기 접촉면적 확장부는 상기 쿨링 채널의 표면 전체에 대하여 오목한 형태로 라운드되게 형성되는 다수의 요홈들을 포함하는 연료 전지 시스템의 스택.
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