KR100728792B1 - Fuel cell system and stack - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적층되는 다수의 셀을 양측에서 지지 고정하는 앤드 플레이트의 구조를 개선하여 강도를 높일 수 있도록, 막-전극 어셈블리(MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터에 의한 적어도 하나의 전기 발생부와, 상기 전기발생부의 최외곽에 배치되고 전면에 보강 리브가 돌출 형성되는 앤드플레이트를 포함하고, 상기 앤드 플레이트는 전면에 복수의 체결홀이 관통형성되고, 상기 보강 리브는 상기 체결홀에 이격되어 체결홀과 간섭되지 않는 영역에 형성되는 연료 전지 시스템용 스택을 제공한다.The present invention provides at least one by means of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly so as to increase the strength by improving the structure of the end plate for supporting and fixing a plurality of stacked cells on both sides. And an end plate disposed at the outermost part of the electricity generating unit and an end plate having protruding ribs protruding from a front surface thereof, wherein the end plate has a plurality of fastening holes penetrating through the front surface thereof, and the reinforcing ribs have the fastening holes. Provided is a stack for a fuel cell system spaced apart from and formed in an area that does not interfere with a fastening hole.

스택, 앤드플레이트, 보강 리브, 체결홀 Stack, End Plate, Reinforcement Rib, Fastening Hole

Description

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

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing the configuration of a stack according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스택의 일부 구성을 도시한 개략적인 정면도이다.3 is a schematic front view illustrating some components of a stack according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 스택의 일부 구성을 도시한 개략적인 정면도이다.4 is a schematic front view showing some components of a stack according to another embodiment of the present invention.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택의 앤드플레이트 구조를 개선하여 강도를 향상시킬 수 있도록 된 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system capable of improving strength by improving an end plate structure of a stack.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.As is known, a fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol and oxygen or air containing oxygen into electrical energy.

이러한 연료 전지는 메탄올 또는 에탄올 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 갖는다.The fuel cell uses hydrogen produced by reforming methanol or ethanol as a fuel, and has a wide range of applications such as mobile power sources such as automobiles, distributed power sources such as houses and public buildings, and small power sources such as electronic devices. Have

상기 연료 전지는 수소와 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착되어 막-전극 어셈블리로 수소와 산소를 공급하는 세퍼레이터(separator)('바이폴라 플레이트'라고도 한다.)에 의한 단위의 셀을 형성하며, 이러한 단위의 셀을 복수로 적층하여 스택(stack)을 형성한다.The fuel cell is a membrane-electrode assembly (MEA) that generates electricity through an oxidation / reduction reaction of hydrogen and oxygen, and closely adheres to both sides of the membrane-electrode assembly to supply hydrogen and oxygen to the membrane-electrode assembly. A unit cell is formed by a separator (also called a bipolar plate), and a plurality of cells of such a unit are stacked to form a stack.

이러한 스택은 최외곽의 세퍼레이터에 금속으로 이루어진 별도의 가압 플레이트를 밀착시키고, 상기 최외곽의 세퍼레이터와 가압 플레이트 사이에 집전판을 개재시킨 상태에서 나사산이 형성된 체결봉과 너트로 가압 플레이트를 조여 스택을 조립한 구조로 이루어진다.The stack is in close contact with a separate pressure plate made of metal to the outermost separator, and the stack is assembled by tightening the pressure plate with a threaded fastening bar and a nut while a current collector plate is interposed between the outermost separator and the pressure plate. It consists of one structure.

그런데 종래에 따른 연료 전지 시스템은 스택 조립을 위해 체결봉과 너트로 가압플레이트를 체결고정하는 과정에서 너트에 의해 양 가압 플레이트가 조여짐에 따라 가압 플레이트에 가해지는 응력에 의해 가압플레이트가 변형되는 문제점이 있다.However, the conventional fuel cell system has a problem in that the pressure plate is deformed by the stress applied to the pressure plate as both pressure plates are tightened by the nut in the process of fastening the pressure plate with the fastening rod and the nut for stack assembly. have.

이는 너트가 조여짐에 따라 상기 가압플레이트가 응력을 견디지 못하고 휘어지기 때문으로 가압플레이트의 변형에 따라 가압 플레이트 사이에 적층되는 각 셀의 기밀이 유지되지 못하여 전지의 성능이 저하되거나 그 수명이 단축되는 문제점이 발생된다. This is because the pressing plate is not able to withstand the stress as the nut is tightened and is bent, so that the airtightness of each cell stacked between the pressing plates is not maintained due to the deformation of the pressing plate, thereby degrading the performance of the battery or shortening its lifespan. Problems arise.

특히, 2mm 이하의 두께를 갖는 가압 플레이트로 구성된 스택의 경우 가압 플레이트의 변형이 더욱 가중되어 상기한 문제점은 더욱 심각해지게 된다.In particular, in the case of a stack consisting of a pressure plate having a thickness of 2 mm or less, the deformation of the pressure plate is further increased, thereby making the above problem more serious.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 적층되는 다수의 셀을 양측에서 지지 고정하는 앤드 플레이트의 구조를 개선하여 강도를 높일 수 있도록 된 연료 전지 시스템 및 스택을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system and a stack capable of increasing strength by improving the structure of an end plate for supporting and fixing a plurality of stacked cells on both sides. It is.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 앤드 플레이트에 리브가 형성된 구조로 되어 있다.In order to achieve the above object, the present invention has a structure in which a rib is formed in the end plate.

본 발명의 연료 전지 시스템용 스택은 막-전극 어셈블리(MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터에 의한 적어도 하나의 전기 발생부와, 이 전기발생부의 최외곽에 배치되고 전면에 보강 리브가 일체로 형성되는 앤드플레이트를 포함한다.The stack for a fuel cell system of the present invention includes at least one electricity generating portion by a membrane-electrode assembly (MEA) and separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, and is disposed at the outermost portion of the electricity generating portion and reinforced on the front surface. And an end plate having integrally formed ribs.

또한, 본 발명은 상기 양 앤드플레이트를 조여 상기 전기 발생부를 체결하는 체결부를 포함한다.In addition, the present invention includes a fastening portion for tightening the end plate and fastening the electricity generating portion.

상기 체결부는 상기 최외곽의 양 앤드플레이트를 관통하는 다수의 체결봉; 및 상기 체결봉의 양단에 나사 결합되는 너트를 포함한다.The fastening part includes a plurality of fastening rods passing through the outermost end plates; And a nut screwed to both ends of the fastening rod.

여기서 상기 보강 리브는 상기 앤드플레이트의 각 면의 가장자리를 따라 형성될 수 있다.In this case, the reinforcing rib may be formed along an edge of each side of the end plate.

또한, 상기 보강 리브는 상기 앤드플레이트의 대각선 방향으로 형성될 수 있 다.In addition, the reinforcing rib may be formed in a diagonal direction of the end plate.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 체결봉은 상기 앤드플레이트와 전기 발생부 전체를 관통하는 구조일 수 있다.In the stack for a fuel cell system according to the present invention, the fastening rod may have a structure that penetrates the end plate and the entire electricity generating unit.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 체결부는 상기 전기 발생부의 최외곽에 위치하는 양 앤드플레이트를 관통하는 구조일 수 있다.In addition, in the stack for a fuel cell system according to the present invention, the fastening portion may have a structure that penetrates both end plates positioned at the outermost portion of the electricity generating portion.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 체결봉의 표면에 절연층을 형성할 수 있다.In addition, in the stack for a fuel cell system according to the present invention, an insulating layer may be formed on a surface of the fastening rod.

아울러 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택; 수소를 함유한 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급원; 및 산소를 상기 스택으로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,In addition, the fuel cell system according to the present invention to achieve the above object, the stack for generating electrical energy through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; A fuel supply for supplying a fuel containing hydrogen to the stack; And an oxygen source for supplying oxygen to the stack,

상기 스택은, 막-전극 어셈블리(MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터에 의한 적어도 하나의 전기 발생부와, 상기 전기 발생부의 최외곽에 배치되고 전면에 보강 리브가 일체로 형성되는 앤드플레이트를 포함한다.The stack includes at least one electricity generation unit by a membrane-electrode assembly (MEA) and separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, and a reinforcement rib is integrally formed on an outermost side of the electricity generation unit. And end plates.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 상기 전지 발생부가 복수로 구비되며 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조의 상기 스택을 형성할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, a plurality of battery generators may be provided to form the stack having a stacked structure by the plurality of electricity generators.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은: 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크; 및 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함할 수 있다.In a fuel cell system according to the invention, the fuel supply source comprises: a fuel tank for storing fuel containing hydrogen; And a fuel pump connected to the fuel tank.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은 상 기 전기 발생부와 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함할 수도 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply source is connected to the electricity generation unit and the fuel tank to receive the fuel from the fuel tank to generate hydrogen gas, and supply the hydrogen gas to the electricity generation unit. It may also include a reformer.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.In addition, in the fuel cell system according to the present invention, the oxygen supply source may include an air pump for sucking air and supplying the air to the electricity generator.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 밀착 배치되어 이 막-전극 어셈블리로 수소 가스를 공급하는 수소 통로를 형성하고, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일면에 밀착 배치되어 이 막-전극 어셈블리로 공기를 공급하는 공기 통로를 형성할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the separator is disposed in close contact with one surface of the membrane electrode assembly to form a hydrogen passage for supplying hydrogen gas to the membrane electrode assembly, and the other surface of the membrane electrode assembly. It can be arranged in close contact with the air electrode to supply air to the membrane-electrode assembly.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 양 세퍼레이터가 금속 소재로 이루어지며, 판상의 금속을 프레스 가공하여 상기한 통로를 형성할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, both the separators are made of a metal material, and the above-described passages can be formed by pressing the plate-shaped metal.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택은 상기 앤드플레이트를 조여 상기 전기 발생부를 체결하기 위한 체결부를 포함할 수 있다.In addition, in the fuel cell system according to the present invention, the stack may include a fastening part for fastening the end plate to fasten the electricity generating part.

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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

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 Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.Referring to this drawing, the fuel cell system 100 according to the present invention is described. The fuel cell system 100 reforms a fuel containing hydrogen to generate hydrogen gas, and generates the hydrogen gas and the oxidant gas. A polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method that chemically reacts to generate electrical energy is employed.

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 연료는 편의상 액상으로 이루어진 전자의 연료를 의미한다.In the fuel cell system 100, a fuel for generating electricity generally refers to hydrogen gas generated by reforming of the fuel, in addition to a fuel in a liquid or gaseous state such as methanol, ethanol or natural gas. However, the fuel described in the present embodiment means the fuel of electrons made of a liquid phase for convenience.

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.The system 100 may use oxygen gas stored in a separate storage means as an oxidant gas that reacts with hydrogen gas, and may use air containing oxygen. However, the latter example is explained below.

상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 연료 공급원(30)과, 공기를 스택(10)으로 공급하는 산소 공급원(40)을 포함한다.The fuel cell system 100 basically includes a stack 10 that generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and generates hydrogen gas from the fuel and transfers the hydrogen gas to the stack 10. A fuel supply source 30 for supplying and an oxygen supply source 40 for supplying air to the stack 10.

스택(10)은 연료 공급원(30)과 산소 공급원(40)에 연결 설치되어 이 연료 공급원(30)으로부터 상기 수소 가스를 공급받고, 산소 공급원(40)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소 가스와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지를 구성한다.The stack 10 is connected to a fuel supply source 30 and an oxygen supply source 40 to receive the hydrogen gas from the fuel supply source 30 and to receive air from the oxygen supply source 40. The fuel cell is configured to generate electrical energy by reacting oxygen electrochemically.

연료 공급원(30)은 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 이 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 배출시키는 연료 펌프(33)와, 연료 탱크(31)로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 개질기(35)를 포함한다.The fuel supply source 30 includes a fuel tank 31 for storing fuel, a fuel pump 33 for discharging the fuel stored in the fuel tank 31, and a fuel supplied from the fuel tank 31 for receiving hydrogen from the fuel. A reformer 35 for generating gas and supplying the hydrogen gas to the stack 10.

그리고 산소 공급원(40)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 스택(10)으로 공급하는 공기 펌프(41)를 포함하고 있다.The oxygen source 40 includes an air pump 41 that sucks air with a predetermined pumping force and supplies this air to the stack 10.

상기 연료 공급원(30)에 있어 개질기(35)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기 구조를 갖는다. 부연 설명하면, 상기 개질기(35)는 일 례로서, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 개질기(35)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.Reformer 35 in the fuel source 30 has a conventional reformer structure that generates hydrogen gas from the fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy and reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas. In detail, the reformer 35 generates hydrogen gas from the fuel through catalytic reaction such as steam reforming, partial oxidation, or autothermal reaction. As an example, the reformer 35 reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas by a method such as a catalytic reaction such as a water gas conversion method, a selective oxidation method, or purification of hydrogen using a separator.

대안으로서, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)은 전술한 바 있는 협의의 연료를 직접 스택(10)으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 전지는 전술한 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 도 1에 도시한 개질기(35)를 필요로 하지 않는다.As an alternative, the fuel cell system 100 according to the present invention is a direct methanol fuel cell (DMFC) system capable of producing electricity by directly supplying the fuel of the above-described arrangement to the stack 10. May be employed. This direct methanol fuel cell, unlike the polymer electrolyte fuel cell described above, does not require the reformer 35 shown in FIG.

이하에서는 고분자 전해질 형 연료 전지 방식을 적용한 연료 전지 시스 템(100)을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the fuel cell system 100 to which the polymer electrolyte fuel cell method is applied will be described as an example. However, the present invention is not necessarily limited thereto.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시 연료 공급원(30)의 개질기(35)를 통해 발생되는 수소 가스와 공기 펌프(41)에 의해 흡입되는 공기를 스택(10)으로 공급하게 되면, 스택(10)에서는 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.Stack 10 of the hydrogen gas generated through the reformer 35 of the fuel supply source 30 and the air sucked by the air pump 41 during the operation of the fuel cell system 100 according to the present invention configured as described above When supplied to, the stack 10 generates electrical energy through the electrochemical reaction of the hydrogen gas and oxygen contained in the air.

본 발명에 있어 상기한 스택(10)을 구성하는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.In the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings an embodiment constituting the stack 10 as follows.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스택의 일부 구성을 도시한 개략적인 정면도이다.2 is an exploded perspective view showing a configuration of a stack according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a schematic front view showing a part of the stack according to an embodiment of the present invention.

도 2 내지 도 3를 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한다.)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(13)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부(11)를 포함하여 이루어진다. 따라서 위와 같은 복수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 적층 배치함으로써 본 실시예에 의한 적층 구조의 스택(10)을 형성할 수 있다.2 to 3, the stack 10 applied to the present system 100 is centered on a membrane-electrode assembly (MEA) (hereinafter referred to as 'MEA') 12. And a separator (also referred to as 'bipolar plate' in the art) 13 on both sides thereof, and includes an electricity generating unit 11 of a minimum unit for generating electricity. Therefore, the stack 10 of the laminated structure according to the present exemplary embodiment may be formed by sequentially stacking the plurality of electricity generating units 11 as described above.

상기한 세퍼레이터(13) 사이에 개재되는 MEA(12)는 이의 양면에 애노드 전극과 캐소드 전극(도시하지 않음)이 위치하고, 상기 두 전극 사이에 전해질막(도시하지 않음)을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 세퍼레이터(13)를 통해 공급되는 수소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 세퍼레이터(13)를 통해 공급되는 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온 및 전자를 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 전극에서 발생되는 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.The MEA 12 interposed between the separators 13 has an anode electrode and a cathode electrode (not shown) disposed on both surfaces thereof, and an electrolyte membrane (not shown) is provided between the two electrodes. . The anode electrode functions to oxidize hydrogen gas supplied through the separator 13 to convert hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons. The cathode electrode functions to reduce and react the oxygen in the air supplied through the separator 13 with the hydrogen ions and electrons moved from the anode electrode to generate heat and moisture at a predetermined temperature. The electrolyte membrane is formed of a solid polymer electrolyte having a thickness of 50 to 200 µm, and functions as an ion exchange to move hydrogen ions generated at the anode electrode to the cathode electrode.

그리고 세퍼레이터(13)는 MEA(12)를 사이에 두고 서로 밀착 배치되고, MEA(12)에 밀착되는 밀착면에 수소 통로와 공기 통로를 형성한다. 여기서 수소 통로는 MEA(12)의 애노드 전극 측에 위치하여 개질기(35)로부터 공급되는 수소 가스를 애노드 전극으로 공급하는 역할을 한다. 그리고 공기 통로는 MEA(12)의 캐소드 전극 측에 위치하여 공기 펌프(41)로부터 공급되는 공기 중의 산소를 캐소드 전극으로 공급하는 역할을 한다. 이에 더하여, 상기 세퍼레이터(13)는 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 가진다.The separators 13 are arranged to be in close contact with each other with the MEA 12 interposed therebetween, and form a hydrogen passage and an air passage at a close contact with the MEA 12. The hydrogen passage is located on the anode electrode side of the MEA 12 and serves to supply hydrogen gas supplied from the reformer 35 to the anode electrode. And the air passage is located on the cathode electrode side of the MEA (12) serves to supply oxygen in the air supplied from the air pump 41 to the cathode electrode. In addition, the separator 13 also functions as a conductor that connects the anode electrode and the cathode electrode in series.

바람직하게, 상기한 세퍼레이터(13)는 도면에 도시한 바와 같이, 하나의 세퍼레이터(13)에 대해 일면에 수소 통로를 형성하고 다른 일면에 공기 통로를 형성하고 있다. 대안으로서 각각의 수소 통로 및 공기 통로는 MEA(12)의 양측에 위치하는 세퍼레이터(13)의 일면에만 형성될 수도 있다. 상기 세퍼레이터(13)는 그라파이트(graphite) 또는 카본 합성물(carbon composite)로 성형하여 상기 수소 통로와 공기 통로를 형성할 수 있으며, 금속 소재의 플레이트를 프레스 성형하여 상기 수소 통로와 공기 통로를 형성할 수도 있다.Preferably, as described above, the separator 13 forms a hydrogen passage on one surface of the separator 13 and an air passage on the other surface of the separator 13. Alternatively, each hydrogen passage and air passage may be formed only on one surface of the separator 13 located on both sides of the MEA 12. The separator 13 may be formed of graphite or carbon composite to form the hydrogen passage and the air passage. Alternatively, the separator 13 may be formed by pressing a metal plate to form the hydrogen passage and the air passage. have.

이와 같은 세퍼레이터(13)는 상기 도면에서 수소 가스와 공기가 수소 통로 및 공기 통로에 대하여 어떻게 공급 순환되는지에 대한 구체적인 구성을 생략하고 있으나, 이에 대한 구성은 수소 통로 및 공기 통로로 수소 가스와 공기를 공급하여 순환시키고, MEA(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 반응하고 남은 미반응 수소 가스와 공기를 배출시키는 통상적인 것이 적용될 수 있다.The separator 13 omits a specific configuration of how hydrogen gas and air are supplied and circulated with respect to the hydrogen passage and the air passage in the drawing, but the configuration of the separator 13 includes the hydrogen gas and the air as the hydrogen passage and the air passage. A conventional method of supplying and circulating and releasing unreacted hydrogen gas and air remaining after reacting at the anode electrode and the cathode electrode of the MEA 12 may be applied.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시 세퍼레이터(13)를 통해 MEA(12)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극으로 산소를 함유한 공기가 공급된다. 따라서 애노드 전극에서는 수소 가스를 전자와 수소 이온(프로톤)으로 분리한다. 이 때 상기한 수소 이온은 MEA(12)의 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(13)를 통해 이웃하는 MEA(12)의 캐소드 전극으로 이동하게 되는데, 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시키고, 상기 캐소드 전극에서는 상기 이동된 수소 이온 및 전자와 상기한 산소와의 결합 반응을 통해 열과 수분을 발생시킨다.During operation of the fuel cell system 100 according to the present embodiment configured as described above, hydrogen gas is supplied to the anode electrode of the MEA 12 through the separator 13, while air containing oxygen is supplied to the cathode electrode. do. Therefore, the hydrogen electrode separates the hydrogen gas into electrons and hydrogen ions (protons). In this case, the hydrogen ions are moved to the cathode electrode through the electrolyte membrane of the MEA 12, and electrons are not moved through the electrolyte membrane but move to the cathode electrode of the neighboring MEA 12 through the separator 13. When a current is generated by the flow of electrons, heat and moisture are generated at the cathode electrode through a coupling reaction between the transferred hydrogen ions and electrons and the oxygen.

한편, 본 실시예에 있어 상기한 스택(10)의 최외곽에는 다수개의 전기발생부를 적층 고정시키기 위한 앤드플레이트(15a,15b)가 위치한다. Meanwhile, in the present embodiment, the end plates 15a and 15b for stacking and fixing a plurality of electricity generating units are disposed at the outermost side of the stack 10.

상기 앤드플레이트(15a,15b)는 전기 발생부(11)에서 발생되는 전기 에너지를 집전하는 집전유니트로 구성될 수도 있다.The end plates 15a and 15b may be configured as current collecting units for collecting electrical energy generated by the electricity generating unit 11.

본 실시예에서 상기 엔드 플레이트(15a,15b)는 이들 사이에 위치하는 세퍼레이터(13)들 보다 큰 면적을 갖도록 형성된다. 즉, 상기 엔드 플레이트는 그 가장자리 부분이 이들 사이에 위치하는 세퍼레이터(13)의 가장자리단 외측으로 연장되는 구조로 이루어지고 세퍼레이터(13) 외측으로 연장된 부분을 통해 체결부가 설치되어 양 앤드플레이트(15a,15b)를 조여 결합시키게 된다.In the present embodiment, the end plates 15a and 15b are formed to have a larger area than the separators 13 positioned therebetween. That is, the end plate has a structure in which the edge portion thereof extends outside the edge end of the separator 13 positioned between them, and a fastening portion is installed through a portion extending outside the separator 13 so that both end plates 15a are provided. , 15b) to be combined.

상기 체결부(19)는 전기 발생부(11)로 공급되는 수소 가스 및 공기의 누출을 방지하고 전지로서의 구조를 갖추기 위해, 복수의 전기 발생부(11)들을 일정 압력으로 가압하여 하나로 체결시키기 위한 것으로, 엔드 플레이트(15a, 15b)의 여유 부분(A)에 형성된 다수의 체결홀(19c)에 각각 관통 설치되는 체결봉(19a)과, 상기 체결봉(19a)의 양쪽 끝단에 형성된 나사부에 체결되어 상기 엔드 플레이트(15a, 15b)를 고정하는 너트(19b)를 포함한다.The fastening unit 19 is configured to press the plurality of electric generators 11 to a certain pressure and fasten them in order to prevent leakage of hydrogen gas and air supplied to the electric generator 11 and to have a structure as a battery. Fastening rods 19a which are respectively installed through the plurality of fastening holes 19c formed in the clearance portions A of the end plates 15a and 15b, and fastened to the screw portions formed at both ends of the fastening rods 19a. And a nut 19b to fix the end plates 15a and 15b.

따라서 상기 체결홀(19c)을 관통한 체결봉(19a)의 양 끝단에 너트(19b)를 각각 체결함으로써 양쪽의 엔드 플레이트(15a, 15b)를 눌러 본 실시예에 의한 스택(10)을 적정한 압력으로 체결 고정할 수 있게 되는 것이다.Therefore, by fastening the nuts 19b to both ends of the fastening rods 19a penetrating the fastening holes 19c, the end plates 15a and 15b of both sides are pressed to appropriately press the stack 10 according to the present embodiment. Will be able to fasten fastening.

그리고 상기 앤드플레이트(15a,15b)는 외측면의 가장자리를 따라 보강용 리브(17)가 형성된 구조로 되어 있다.The end plates 15a and 15b have a structure in which reinforcing ribs 17 are formed along the edge of the outer surface.

상기 리브(17)는 앤드플레이트(15a,15b)의 전면에 대해 외측으로 돌출된 형태로 형성되며 그 형성 높이와 두께에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.The rib 17 is formed to protrude outward with respect to the front surfaces of the end plates 15a and 15b and is not particularly limited in terms of its formation height and thickness.

또한, 상기 리브(17)는 사각형태의 앤드플레이트(15a,15b)의 각 모서리에 형성된 체결홀(19c) 사이에 면의 가장자리를 따라 직선형태로 배치되며 그 형성 길이는 리브(17)의 양 끝단이 체결홀(19c) 주위에 접하는 너트(19b)에 간섭되지 않는 정도로 연장되면 충분하다.In addition, the ribs 17 are arranged in a straight line along the edge of the surface between the fastening holes 19c formed at each corner of the rectangular end plates 15a and 15b, and the length of the ribs 17 is equal to the amount of the ribs 17. It is sufficient that the end extends to such an extent that it does not interfere with the nut 19b abutting around the fastening hole 19c.

또한, 상기 리브(17)는 사각 단면형태로 이루어지나 이에 한정되지 않으며 호형 단면형태 등과 같이 다양한 형태로 적용가능하다.In addition, the rib 17 may be formed in a rectangular cross-sectional shape, but is not limited thereto, and may be applied in various forms such as an arc-shaped cross-sectional shape.

상기와 같이 리브(17)가 앤드플레이트(15a,15b)에 일체로 돌출형성됨으로서 상기 너트(19b)가 체결봉(19a)에 체결되어 전기 발생부를 사이에 두고 양쪽의 앤드플레이트(15a,15b)를 조이게 되면 앤드플레이트에 응력이 가해지게 되고 이때 앤드플레이트에 형성된 리브(17)가 앤드플레이트의 강도를 높여 앤드플레이트의 변형을 최대한 방지할 수 있게 된다.As described above, the rib 17 is integrally protruded from the end plates 15a and 15b so that the nut 19b is fastened to the fastening rod 19a so that both end plates 15a and 15b are interposed between the electric generators. When tightening the stress is applied to the end plate at this time the rib 17 formed in the end plate is to increase the strength of the end plate to prevent deformation of the end plate to the maximum.

한편, 도 4는 본 앤드플레이트의 또다른 실시예를 도시한 도면으로, 상기한 도면에 의하면 앤드플레이트(15a,15b)의 외측면에 보강용 리브(18)가 일체로 돌출 형성되며, 상기 리브(18)는 상기 앤드플레이트(15a,15b)의 모서리에서 대각선방향으로 형성된 구조로 되어 있다.On the other hand, Figure 4 is a view showing another embodiment of the end plate, according to the above-described reinforcing rib 18 is formed integrally protruding on the outer surface of the end plate (15a, 15b), the rib 18 has a structure formed diagonally at the edges of the end plates 15a and 15b.

상기 리브(18)는 앤드플레이트(15a,15b)의 전면에 대해 외측으로 돌출된 형태로 형성되며 그 형성 높이와 두께에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.The rib 18 is formed to protrude outward with respect to the front surfaces of the end plates 15a and 15b, and is not particularly limited in terms of forming height and thickness thereof.

또한, 상기 리브(18)는 사각형태의 앤드플레이트(15a,15b)의 모서리에 형성된 체결홀(19c)과 대각선 방향의 체결홀(19c) 사이에 직선형태로 배치되며 그 형성 길이는 리브(17)의 양 끝단이 체결홀(19c) 주위에 접하는 너트(19b)에 간섭되지 않는 정도로 연장되면 충분하다.In addition, the ribs 18 are disposed in a straight line between the fastening holes 19c formed at the corners of the rectangular end plates 15a and 15b and the fastening holes 19c in the diagonal direction, and the length of the ribs 18 is rib 17. It is sufficient if both ends of the e) extend to such an extent that they do not interfere with the nut 19b which is in contact with the fastening hole 19c.

또한, 상기 리브(18)는 사각 단면형태로 이루어지나 이에 한정되지 않으며 호형 단면형태 등과 같이 다양한 형태로 적용가능하다.In addition, the rib 18 is formed in a rectangular cross-sectional shape, but is not limited thereto, and can be applied in various forms such as an arc-shaped cross-sectional shape.

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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 앤드플레이트에 대한 너트의 응력집중을 방지하여 앤드플레이트 및 체결봉과 너트의 과도한 변형을 방지할 수 있게 된다.As described above, according to the fuel cell system according to the present invention, it is possible to prevent stress concentration of the nut against the end plate and to prevent excessive deformation of the end plate, the fastening rod, and the nut.

Claims (20)

막-전극 어셈블리(MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터에 의한 적어도 하나의 전기 발생부와,At least one electricity generating unit by a membrane-electrode assembly (MEA) and separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly; 상기 전기발생부의 최외곽에 배치되고 전면에 보강 리브가 돌출 형성되는 앤드플레이트를 포함하고, An end plate disposed at the outermost part of the electricity generating unit and having a reinforcing rib protruding from a front surface thereof, 상기 앤드 플레이트는 전면에 복수의 체결홀이 관통형성되고, 상기 보강 리브는 상기 체결홀에 이격되어 체결홀과 간섭되지 않는 영역에 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.The end plate has a plurality of fastening holes penetratingly formed on a front surface thereof, and the reinforcing ribs are formed in a region which is spaced apart from the fastening holes and does not interfere with the fastening holes. 제 1 항에 있어서, 상기 앤드플레이트의 체결홀을 관통하는 다수의 체결봉과 상기 체결봉의 양단에 나사 결합되어 상기 양 앤플레이트를 조임으로써 상기 전기 발생부를 체결하는 너트를 포함하는 연료 전지 시스템용 스택.The fuel cell system stack of claim 1, further comprising a plurality of fastening rods penetrating through the fastening holes of the end plate, and nuts coupled to both ends of the fastening rods to fasten the electric generator by tightening both end plates. 제 1 항에 있어서, 상기 보강 리브는 상기 앤드플레이트의 각 면의 가장자리를 따라 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.The stack of claim 1, wherein the reinforcing ribs are formed along edges of each side of the end plate. 제 1 항에 있어서, 상기 보강 리브는 상기 앤드플레이트의 외측면에 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.The stack of claim 1, wherein the reinforcing rib is formed on an outer surface of the end plate. 제 1 항에 있어서, 상기 보강 리브는 직선형태인 연료 전지 시스템용 스택.The stack of claim 1 wherein the reinforcing ribs are straight. 제 1 항에 있어서, 상기 리브는 사각 단면형태인 연료 전지 시스템용 스택.The stack of claim 1, wherein the ribs have a rectangular cross section. 제 1 항에 있어서, 상기 보강 리브는 상기 앤드플레이트의 대각선 방향으로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.The stack of claim 1, wherein the reinforcing ribs are formed in a diagonal direction of the end plate. 제 1 항에 있어서, 상기 체결봉은 상기 전기 발생부 전체를 관통하는 연료 전지 시스템용 스택.The stack of claim 1, wherein the fastening rods penetrate the entire electricity generating unit. 제 1 항에 있어서, 상기 체결봉은 상기 전기 발생부의 최외곽에 위치한 양 세퍼레이터를 관통하는 연료 전지 시스템용 스택.The stack for a fuel cell system as claimed in claim 1, wherein the fastening rod passes through both separators located at the outermost portion of the electricity generating unit. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택;A stack for generating electrical energy through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; 수소를 함유한 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급원; 및A fuel supply for supplying a fuel containing hydrogen to the stack; And 산소를 상기 스택으로 공급하는 산소 공급원An oxygen source supplying oxygen to the stack 을 포함하며,Including; 상기 스택은,The stack is, 막-전극 어셈블리(MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터에 의한 적어도 하나의 전기 발생부와, 상기 전기발생부의 최외곽에 배치되고 전 면에 복수의 체결홀이 관통 형성되고, 상기 체결홀에 이격되어 체결홀과 간섭되지 않는 영역에 보강 리브가 돌출 형성되는 앤드플레이트를 포함하는 연료 전지 시스템.At least one electricity generation unit by a membrane-electrode assembly (MEA) and separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, and a plurality of fastening holes disposed in the outermost side of the electricity generation unit and penetrating through the front surface thereof, And an end plate spaced apart from the fastening hole and having a reinforcing rib protruding from an area which does not interfere with the fastening hole. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조의 상기 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.And a plurality of electricity generating units, and forming the stack of a stacked structure by the plurality of electricity generating units. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 연료 공급원은:The fuel source is: 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크; 및A fuel tank for storing fuel containing hydrogen; And 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.A fuel cell system comprising a fuel pump connected to the fuel tank. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 연료 공급원은, 상기 전기 발생부와 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함하는 연료 전지 시스템.The fuel supply system includes a reformer connected to the electricity generating unit and the fuel tank, receiving a fuel from the fuel tank to generate hydrogen gas, and supplying the hydrogen gas to the electricity generating unit. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 전기 발생부로 공급하 는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.And the oxygen source includes an air pump that sucks air and supplies the air to the electricity generator. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 세퍼레이터는 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 밀착 배치되어 이 막-전극 어셈블리로 수소 가스를 공급하는 수소 통로를 형성하고, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일면에 밀착 배치되어 이 막-전극 어셈블리로 공기를 공급하는 공기 통로를 형성하는 연료 전지 시스템.The separator is disposed in close contact with one surface of the membrane-electrode assembly to form a hydrogen passage for supplying hydrogen gas to the membrane-electrode assembly, and the separator is disposed in close contact with the other surface of the membrane-electrode assembly. A fuel cell system forming an air passage for supplying the gas. 제 10 항에 있어서, 상기 보강 리브는 상기 앤드플레이트의 각 면의 가장자리를 따라 형성되는 연료 전지 시스템.The fuel cell system of claim 10, wherein the reinforcing rib is formed along an edge of each side of the end plate. 제 10 항에 있어서, 상기 보강 리브는 상기 앤드플레이트의 외측면에 형성되는 연료 전지 시스템.The fuel cell system of claim 10, wherein the reinforcing rib is formed on an outer surface of the end plate. 제 10 항에 있어서, 상기 보강 리브는 직선형태인 연료 전지 시스템.The fuel cell system of claim 10, wherein the reinforcing rib is straight. 제 10 항에 있어서, 상기 리브는 사각 단면형태인 연료 전지 시스템.The fuel cell system of claim 10, wherein the rib has a rectangular cross-sectional shape. 제 10 항에 있어서, 상기 보강 리브는 상기 앤드플레이트의 대각선 방향으로 형성되는 연료 전지 시스템.The fuel cell system of claim 10, wherein the reinforcing rib is formed in a diagonal direction of the end plate.
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