KR100637506B1 - 연료 전지 시스템 및 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료와 산소의 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 다수의 전기 발생부와, 상기 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

상기 각 전기 발생부들의 위치에 따른 발열 온도차에 대응하는 정도의 연료와 산소를 해당 단위 셀에 제공하는 구조로 되어 있다.

연료전지, 스택, 전기발생부, 전기발생집합체, 주입구, 크기, 온도분포

Description

연료 전지 시스템 및 스택 {FUEL CELL SYSTEM AND STACK}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스택의 개략적인 도면이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 성능 효율을 개선한 연료 전지용 스택에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 연료 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전지 셀을 의미한다.

이러한 연료 전지에 있어 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC)방식을 채용한 연료 전지 시스템은, 다수의 연료 전지를 적층하여 구성되는 스택(stack), 연료로부터 수소 가스를 발생시키 는 개질기(Reformer) 등을 구비한다. 따라서, 상기한 스택은 개질기에서 발생되는 수소 가스 중의 수소와 별도의 펌프 등을 통해 공급되는 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.

그런데, 종래의 연료 전지 시스템에 있어 스택에서는 수소와 산소의 환원 반응에 의하여 열을 발생시키는 바, 이 열은 수소 가스와 산소가 스택으로 공급되는 과정에서 이들 수소 가스와 산소의 농도차, 압력차 또는 수소 이용률 등에 의하여 스택의 외측에서 대략 중앙부로 갈수록 높은 온도 분포를 나타낸다. 이러한 온도 분포는 스택의 성능 저하를 유발하고, 이로 인해 스택의 각 연료 전지를 통해 일정한 전압량을 출력시키지 못하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 창안된 것으로, 그 목적은 스택의 각 연료 전지로 공급되는 수소와 산소의 양을 조절하여 스택 전체에 걸쳐 온도 분포를 고르게 유지할 수 있도록 된 연료 전지용 스택 및 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 다수의 단위 셀들을 포함하는 전기 발생 집합체를 포함하며, 상기 전기 발생 집합체는, 상기 각 단위 셀들의 위치에 따른 발열 온도차에 대응하는 정도의 연료와 산소를 해당 단위 셀에 제공하는 매니폴드를 구비한다.

본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 전기 발생 집합체는 그 외 측에서 중심으로 향해 갈수록 높은 발열 온도를 나타내며, 상기 매니폴드는 각 단위 셀에 형성되는 연료 주입구 및 산소 주입구로 구성될 수 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)를 포함하는 다수의 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며,

상기 각 전기 발생부는, 상기 세퍼레이터에 형성되어 연료를 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 제공하는 연료 주입구와, 산소를 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일면에 제공하는 산소 주입구를 구비하고,

상기 연료 주입구와 산소 주입구는 상기 집합체에 대한 전기 발생부의 위치에 따라 상기 연료와 산소의 주입량이 상이한 크기를 갖도록 구비된다.

본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 연료와 산소의 주입량이 상기 집합체의 외측에서 중앙부로 갈수록 적어지는 구조로 되어 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 연료 주입구 및 산소 주입구는 상기 각각의 전기 발생부에 대해 서로 연통되는 매니폴드 형태로 이루어지고, 상기 집합체의 외측에서 중앙부로 갈수록 그 크기가 점차 작아지도록 함이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는, 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 밀착되는 밀착면에 상기 연료 주입구와 연통하는 연료 통로를 형성하고, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일면에 밀착되는 밀착면에 상 기 산소 주입구와 연통하는 산소 통로를 형성할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 막-전극 어셈블리는 활성 영역 및 이 활성 영역 외측의 비활성 영역으로 구성되며, 상기 비활성 영역에 상기 연료 주입구 및 산소 주입구와 연통하는 연통부를 형성할 수 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료와 산소의 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 다수의 전기 발생부와, 상기 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

상기 각 전기 발생부들의 위치에 따른 발열 온도차에 대응하는 정도의 연료와 산소를 해당 단위 셀에 제공하는 구조로 되어 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)를 포함하며, 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각 전기 발생부는 상기 세퍼레이터에 연료 주입구와 산소 주입구를 구비하며, 상기 연료 주입구와 산소 주입구는 상기 스택에 대한 전기 발생부의 위치에 따라 상기 연료와 산소의 주입량이 상이한 크기를 갖도록 구비된다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부에 대한 연료와 산소의 주입량이 상기 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 적어지는 구조로 되어 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 주입구 및 산소 주입구는 상기 각각의 전기 발생부에 대해 서로 연통되는 매니폴드 형태로 이루어지며, 상기 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 그 크기가 점차 작아지도록 함이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급원이 상기 전기 발생부로 수소 가스를 공급하는 구조로 되어 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급원이 상기 전기 발생부로 액상의 연료를 공급하는 구조로 되어 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어진다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 산소 공급원이 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 구조로 되어 있다.

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 개략 적으로 도시한 블록도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산화제 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료 이 외에, 상기 연료의 개질에 의하여 발생되는 수소 가스를 통칭한다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 이하의 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료를 의미한다.

그리고 본 시스템(100)은 수소 가스와 반응하는 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)와, 전술한 바 있는 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 연료 공급원(30)과, 공기를 전기 발생부(11)로 공급하는 산소 공급원(50)을 포함한다.

상기 전기 발생부(11)는 연료 공급원(30)과 산소 공급원(50)에 연결 설치되어 이 연료 공급원(30)으로부터 수소 가스를 공급받고, 산소 공급원(50)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소 가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 연료 전지(fuel cell)를 구성한다.

따라서 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속 배치함으로써 전기 발생부(11)들의 집합체(이하, '전기 발생 집합체'라고 한다.)(10A) 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.

연료 공급원(30)은 상기한 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 이 연료 탱크(31)에 연결 설치되어 소정 펌핑력에 의하여 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프(33)와, 상기 연료 탱크(33)와 스택(10) 사이에 배치되어 연료 탱크(33)로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(35)를 포함한다. 그리고 산소 공급원(50)은 공기를 흡입하고, 이 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급하도록 된 통상적인 구조의 공기 펌프(51)를 포함한다.

상기한 연료 공급원(30)에 있어 개질기(35)는 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 것이 바람직하다. 그리고 상기 개질기(35)는 예컨대 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 것이 바람직하다. 이러한 개질기(35)는 통상적인 PEMFC 방식의 개질기 구성으로 이루어질 수 있으므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.

따라서 연료 공급원(30)을 통해 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하고, 산소 공급원(50)을 통해 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 이 전기 발생부(10)에서는 수소 가스 중의 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지, 물 그리고 열을 발생시킨다.

한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 메탄올, 에탄올과 같은 액상의 연료를 직접 전기 발생부(11)로 공급하여 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 전지 방식의 연료 전지 시스템(100)은 고분자 전해질형 연료 전지 방식과 달리, 개질기(35)를 필요로 하지 않고, 연료 탱크(31)와 연료 펌프(33)로 구성되는 연료 공급원(30)을 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전술한 바 있는 스택(10)의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 스택(10)은 언급한 바 있듯이 다수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 밀착 배치하여 이루어지는 전기 발생 집합체(10A)를 형성하는 바, 상기한 각각의 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(이하, "MEA" 라고 한다.)(12)와, 상기 MEA(12)를 중심에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(13)를 포함하여 구성된다.

MEA(12)는 소정의 면적을 가지면서 수소와 산소의 산화/환원 반응을 일으키는 활성 영역(12a)을 구비하며, 이 활성 영역(12a)의 일면에 애노드 전극, 다른 일면에 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 그리고 상기 활성 영역(12a)의 가장자리 부분에는 비활성 영역(12b)이 위치하는 바, 이 비활성 영역(12b)은 수소와 산소의 반응이 일어나지 않는 영역으로서, 양 세퍼레이터(13) 사이에서 활성 영역(12a)의 가장자리 부분을 실링하는 이른바 가스켓으로서의 기능을 하게 된다. 여기서 상기 애노드 전극은 개질기(35)로부터 공급되는 수소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 공기 펌프(51)로부터 공급되는 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온을 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.

이 MEA(12)를 사이에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 상기 세퍼레이터(13)는 MEA(12)의 양측에 수소 통로(14)와 산소 통로(17)를 형성한다. 상기 수소 통로(14)는 MEA(12)의 애노드 전극에 밀착되는 밀착면에 형성되어 개질기(35)로부터 공급되는 수소 가스를 상기 애노드 전극으로 공급한다. 그리고 상기 산소 통로(17)는 MEA(12)의 캐소드 전극에 밀착되는 밀착면에 형성되어 공기 펌프(51)로부터 공급되는 공기를 상기 캐소드 전극으로 공급한다.

그리고 상기 각각의 세퍼레이터(13)에는 수소 통로(14)와 산소 통로(17)로 수소 가스와 공기를 주입시키기 위한 제1 매니폴드(15)를 형성하고 있다. 상기 제1 매니폴드(15)는 수소 통로(14)와 실질적으로 연통하면서 이 수소 통로(14)로 상기 수소 가스를 주입시키기 위한 제1 주입구(15a)와, 상기 산소 통로(17)와 실질적으로 연통하면서 이 산소 통로(17)로 상기 공기를 주입시키기 위한 제2 주입구(15b)를 포함한다. 그리고 상기 각각의 세퍼레이터(13)에는 수소 통로(14)와 산소 통로(17)를 통과하면서 MEA(12)에 대하여 반응하고 남은 수소 가스와 공기를 배출시키기 위한 제2 매니폴드(16)를 형성하고 있다. 상기 제2 매니폴드(16)는 수소 통로(14)와 실질적으로 연통하면서 상기 미반응의 수소 가스를 배출시키는 제1 배출구(16a)와, 상기 산소 통로(17)와 실질적으로 연통하면서 상기 미반응의 공기를 배출시키는 제2 배출구(16b)를 포함한다. 이 때 상기 수소 가스와 공기를 수소 통로(14)와 산소 통로(17)를 통해 중력 방향으로 유동시키는 점을 감안할 때, 상기 제1,2 주입구(15a, 15b)는 각 세퍼레이터(13)의 상측에 형성되고, 상기 제1,2 배출구(16a, 16b)는 하측에 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 각각의 전기 발생부(11)에서는 수소와 산소의 환원 반응에 의하여 열을 발생시키게 되는 바, 이 열은 수소 가스와 산소가 각 전기 발생부(11)의 제1,2 주입구(15a, 15b)를 통하여 세퍼레이터(13)의 수소 통로(14) 및 산소 통로(17)로 공급되는 과정에서 이들 수소 가스와 산소의 농도차 또는 압력차 또는 수소 이용률 등에 의하여 전기 발생부(11)의 위치에 따라 온도가 달라지게 되며, 예컨대 전기 발생 집합체 (10A)의 외측에서 대략 중앙부로 갈수록 높은 온도 분포를 나타낸다. 이러한 스택(10)의 불균일한 온도 분포는 각 전기 발생부(11)의 MEA 성능을 저하시키고, 이로 인해 각각의 전기 발생부(11)에서는 일정하지 않은 전압을 출력시키게 된다.

이에 본 발명의 실시예 따른 스택(10)은 각 전기 발생부(11)들의 위치에 따른 발열 온도차에 대응하는 정도의 수소 가스와 공기를 해당 전기 발생부(11)에 제공하는 구조로 이루어진다.

이를 위해 상기 스택(10)은 전기 발생 집합체(10A)에 대한 각 전기 발생부(11)의 제1,2 주입구(15a, 15b)가 이들 전기 발생부(11)의 위치에 따라 그 크기가 상이한 구조로 되어 있으며, 바람직하게는 전기 발생 집합체(10A)의 측부에서 중앙부로 갈수록 상기 제1,2 주입구(15a, 15b)가 점차 작아지는 구조로 되어 있다.

도 4는 스택(10)의 위치에 따른 제1,2 주입구(15a, 15b)의 크기 차이를 잘 예시하고 있는데, 상기한 도면에 의하면, MEA(12)와 세퍼레이터(13)를 포함하는 다수의 전기 발생부(11)가 연속 배치되어 전기 발생 집합체(10A)를 구성한 상태에서, 이 전기 발생 집합체(10A)의 최외측 전기 발생부(11)에서 중앙부 쪽의 전기 발생부(11)로 갈수록 세퍼레이터(13)에 형성된 제1,2 주입구(15a, 15b)의 크기가 점차적으로 작아지는 것을 확인할 수 있다. 이 때 각 세퍼레이터(13) 사이의 가장자리 부분에 위치하는 MEA(12)의 비활성 영역(12b)에는 제1,2 주입구(15a, 15b)와 상호 연통하는 크기의 연통부(12c)를 형성하고 있다. 마찬가지로, 상기 연통부(12c)의 크기는 이 전기 발생 집합체(10A)의 최외측 전기 발생부(11)에서 중앙쪽으로 갈수록 점차 작아지는 구조로 되어 있다.

여기서 상기 전기 발생 집합체(10A)의 좌,우 최외측(도면 기준)에 놓여져 있는 전기 발생부(11)의 제1,2 주입구(15a, 15b)와 이 전기 발생 집합체(10A)의 대략 가운데에 위치한 전기 발생부(11)의 제1,2 주입구(15a, 15b) 간의 크기 차이는 어느 특정 값으로 특별히 한정되지 않는다.

이처럼 본 발명에 있어 전기 발생 집합체(10A)를 형성하는 각 전기 발생부(11)의 제1,2 주입구(15a, 15b) 크기를 상이하게 하도록 한 것은, 상기 시스템의 작동시, 전기 발생 집합체(10A)의 대략 중앙부에 위치한 전기 발생부(11)에서의 온도가 상기 전기 발생 집합체(10A)의 양측부로 갈수록 이 위치에 위치한 전기 발생부의 온도보다 높기 때문으로, 전기 발생 집합체(10A)의 최외측에서 중앙부 쪽으로 갈수록 전기 발생부(11)에 공급되는 수소 가스와 산소의 주입량을 적게 하여 전체 스택(10)의 전 영역에서 고른 온도 분포를 이루게 하기 위함이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

우선, 개질기(35)로부터 발생되는 수소 가스를 별도의 배관(도시하지 않음)을 통해 각 전기 발생부(11)의 제1 주입구(15a)로 공급한다. 그러면, 상기 수소 가스는 세퍼레이터(13)의 수소 통로(14)를 따라 흐르면서 MEA(12)의 애노드 전극으로 공급되게 된다. 이로써 상기 수소 가스 중의 수소는 애노드 전극에서 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환되고, 이 때 상기 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 그리고 상기한 전자는 전해질막을 통과하지 못하고 세퍼레이터(13)를 통해 이웃하는 전기 발생부(11)의 캐소드 전극으로 이동되는 바, 상기 전기 발 생부(11)에서는 위와 같은 전자의 흐름으로 전기 에너지를 발생시킨다.

이러한 과정을 거치는 동안, 공기 펌프(51)를 가동시켜 공기를 별도의 배관(도시하지 않음)을 통해 각 전기 발생부(11)의 제2 주입구(15b)로 공급한다. 그러면, 상기 공기는 세퍼레이터(13)의 산소 통로(17)를 따라 흐르면서 MEA(12)의 캐소드 전극으로 공급되게 된다. 이로써 상기 공기 중의 산소는 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 이동된 수소 이온과 환원 반응을 일으키고, 이 때 전기 발생부(11)에서는 상기한 환원 반응에 의하여 소정 온도의 열과 물을 발생시킨다.

이와 같은 작용이 이루어지는 본 시스템(100)에서, 스택(10)의 전기 발생 집합체(10A)에 대한 각 전기 발생부(11)의 제1,2 주입구(15a, 15b)가 이 전기 발생 집합체(10A)의 측부에서 중앙부 쪽으로 갈수록 점차 작아지는 구조로 되어 있기 때문에, 상기 제1,2 주입구(15a, 15b)를 통해 각 전기 발생부(11)의 MEA(12)에 제공되는 수소 가스와 공기의 주입량이 전기 발생 집합체(10A)의 최외측에서 중앙부 쪽으로 갈수록 점차 줄어들게 된다.

따라서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 전기 발생 집합체(10A)의 외측에서 대략 중앙부로 갈수록 높은 온도 분포를 나타내는 종래의 스택을 감안할 때, 전기 발생 집합체(10A)의 최외측에서 중앙부 쪽으로 갈수록 제1,2 주입구(15a, 15b)를 통하여 각 전기 발생부(11)에 제공되는 수소 가스와 공기의 주입량이 상대적으로 줄어들기 때문에, 스택(10) 전 영역에 대한 온도 분포를 일정하게 유지시킬 수 있게 된다. 즉, 전기 발생 집합체(10A)의 측부에 위치하는 전기 발생부(11)에 많은 양의 수소 가스와 공기를 제공하고, 전기 발생 집합체(10A)의 대략 중앙부에 위치하는 전기 발생부(11)에 상기 측부 보다 적은 양의 수소 가스와 공기를 제공하여, 수소 가스와 공기의 반응에 따른 전기 발생 집합체(10A) 측부의 열을 기설정된 온도 범위로 좀더 높이고, 중앙부의 열을 기설정된 온도 범위로 좀더 낯출 수 있게 되어 전체 스택(10)의 온도 분포도를 평행하게 유지시킬 수 있게 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 의하면, 전기 발생 집합체의 각 전기 발생부에 수소와 산소를 제공하는 주입부의 구조를 개선하여 스택 전체에 걸쳐 온도 분포를 고르게 유지시킬 수 있다. 따라서 전체 스택의 성능 효율이 향상됨에 따라 전기 발생 집합체의 각 전기 발생부에서 일정한 전압량의 전기 에너지를 출력시키는 효과가 있다.

Claims (18)

1. 다수의 단위 셀들을 포함하는 전기 발생 집합체

   를 포함하며,

   상기 전기 발생 집합체는 상기 각 단위 셀들의 위치에 따른 발열 온도차에 대응하는 정도의 연료와 산소를 해당 단위 셀에 제공하는 매니폴드를 구비하며,

   상기 매니폴드는 상기 각 단위 셀에 형성되는 연료 주입구 및 산소 주입구로서 구성되며,

   상기 연료 주입구 및 산소 주입구는 상기 전기 발생 집합체의 외측에서 중앙부로 갈수록 그 크기가 점차 작아지도록 된 연료 전지용 스택.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기 발생 집합체는 그 외측에서 중심으로 향해 갈수록 높은 발열 온도를 나타내는 연료 전지용 스택.
3. 삭제
4. 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)를 포함하는 다수의 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며,

   상기 각 전기 발생부는 상기 세퍼레이터에 형성되어 연료를 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 제공하는 연료 주입구와, 산소를 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일면에 제공하는 산소 주입구를 구비하고,

   상기 연료 주입구와 산소 주입구는 상기 집합체에 대한 전기 발생부의 위치에 따라 상기 연료와 산소의 주입량이 상이한 크기로서 형성되며, 상기 각각의 전기 발생부에 대해 서로 연통되는 매니폴드 형태로서 이루어지고, 상기 집합체의 외측에서 중앙부로 갈수록 그 크기가 점차 작아지도록 된 연료 전지용 스택.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 연료와 산소의 주입량이 상기 집합체의 외측에서 중앙부로 갈수록 적어지는 구조의 연료 전지용 스택.
6. 삭제
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 세퍼레이터는, 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 밀착되는 밀착면에 상기 연료 주입구와 연통하는 연료 통로를 형성하고, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일면에 밀착되는 밀착면에 상기 산소 주입구와 연통하는 산소 통로를 형성하는 연료 전지용 스택.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 막-전극 어셈블리는 활성 영역 및 이 활성 영역 외측의 비활성 영역으로 구성되며, 상기 비활성 영역에 상기 연료 주입구 및 산소 주입구와 연통하는 연통부를 형성하는 연료 전지용 스택.
9. 연료와 산소의 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 다수의 전기 발생부;

   상기 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및

   상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원

   을 포함하며,

   상기 각 전기 발생부들의 위치에 따른 발열 온도차에 대응하는 정도의 연료와 산소를 해당 전기 발생부에 제공하는 구조로서 이루어지고, 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하며,

   상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)를 포함하며, 상기 세퍼레이터에 연료 주입구와 산소 주입구를 구비하고,

   상기 연료 주입구 및 산소 주입구는 상기 각각의 전기 발생부에 대해 서로 연통되는 매니폴드 형태로서 이루어지며, 상기 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 그 크기가 점차 작아지도록 된 연료 전지 시스템.
10. 삭제
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 연료 주입구와 산소 주입구는 상기 스택에 대한 전기 발생부의 위치에 따라 상기 연료와 산소의 주입량이 상이한 크기로 이루어지는 연료 전지 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 전기 발생부에 대한 연료와 산소의 주입량이 상기 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 적어지는 구조의 연료 전지 시스템.
13. 삭제
14. 제 9 항에 있어서,

    상기 연료 공급원이 상기 전기 발생부로 수소 가스를 공급하는 구조의 연료 전지 시스템.
15. 제 9 항에 있어서,

    상기 연료 공급원이 액상의 연료를 상기 전기 발생부로 직접 공급하는 구조의 연료 전지 시스템.
16. 제 9 항에 있어서,

    상기 산소 공급원이 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 구조의 연료 전지 시스템.
17. 제 9 항 또는 제 14 항에 있어서,

    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
18. 제 9 항 또는 제 15 항에 있어서,

    상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.

Images