KR100798451B1 - 연료전지 분리판과 이를 구비한 연료전지 스택 및 그반응가스 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 분리판과 이를 구비한 연료전지 스택 및 이런 연료전지 스택에 공급되는 반응가스 제어방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 연료전지 스택의 저부하 운전시에 연료전지 분리판의 반응가스 유로에 반응가스가 각각 분리 공급되게 형성됨으로써, 종래기술과 같이 하나의 유로로 형성된 경우에 비해 유로의 길이가 절반으로 단축되어 압력손실이 적으면서도 반응가스가 용이하게 공급된다. 또한, 본 발명은 연료전지 스택의 고부하 운전시에 반응가스가 연료전지 분리판의 제1 반응가스 유로에 유입되어 전체 전극 면적 중 절반 영역에서 이용되고, 다시 제2 반응가스 유로에 유입되어 나머지 전극 면적 중 절반 영역에서 이용된 후에 배출되도록 형성됨으로써, 저부하 운전시와 비교하여 반응가스 이용률이 동일해도 유로 채널의 내부에 흐르는 반응 가스의 유량이 두 배로 증가되게 함으로써, 유로 채널의 내부에 존재하는 물의 배출이 보다 용이해지고, 고부하 운전시 발생될 수 있는 플러딩 현상도 방지한다. 이와 같이, 본 발명은 고부하 운전조건 또는 저부하 운전조건에 따라 불필요한 압력 및 이용률 손실없이 반응가스 공급을 제어함으로써 플러딩 현상이나 농도 분극 현상을 방지하는 효과가 있다.
연료전지, 분리판, 산화제 가스, 연료 가스, 부하

Description

연료전지 분리판과 이를 구비한 연료전지 스택 및 그 반응가스 제어방법{Fuel Cell Separator and Fuel Cell Stack and Reactant Gas Control Method Thereof}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 분리판을 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 분리판을 나타낸 정면도이다.
도 3은 도 1 또는 도 2에 도시된 연료전지 분리판을 구비한 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 스택을 분해 도시한 것으로서, 저부하 운전시 산화제 가스 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 연료전지 분리판에서 저부하 운전시 산화제 가스 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 3에 도시된 연료전지 스택을 분해 도시한 것으로서, 고부하 운전시 산화제 가스 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 6은 도 5에 도시된 연료전지 분리판에서 고부하 운전시 산화제 가스 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 7은 도 3에 도시된 연료전지 스택을 분해 도시한 것으로서, 저부하 운전시 연료 가스 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 8은 도 3에 도시된 연료전지 스택을 분해 도시한 것으로서, 고부하 운전 시 연료 가스 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 9는 도 3에 도시된 연료전지 스택을 분해 도시한 것으로서, 냉각매체 흐름을 나타낸 개략도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
100, 101, 102, 104, 105 : 분리판
200 : 연료전지 스택 210 : 단위전지
220, 230 : 엔드 플레이트 221, 223, 231: 산화제 입구 포트
222, 224, 232: 산화제 출구 포트 225 : 산화제 입구 밸브
226 : 산화제 출구 밸브 235 : 산화제 중간 밸브
251, 253, 261: 연료 입구 포트 252, 254, 262: 연료 출구 포트
255 : 연료 입구 밸브 256 : 연료 출구 밸브
265 : 연료 중간 밸브
본 발명은 고분자 전해질 연료전지를 이용하는 연료전지 스택에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 운전 조건이 달라지더라도 반응가스의 이용률을 높게 유지하고 전기화학반응에 의해 생성되는 물을 효율적으로 관리할 수 있도록 제작되는 연료전지 분리판과 이를 구비한 연료전지 스택 및 그 반응가스 제어방법에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 고분자 전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극 및 분리판으로 이루어지며, 특히 수소를 함유한 연료 가스와, 산소를 함유하는 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기와 열을 동시에 발생시킨다. 이런 고분자 전해질 연료전지는 다른 연료전지에 비하여 출력특성이 탁월하며 작동온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답특성을 가지고 있어서, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.
이런 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 전극은 백금족 금속 등의 금속촉매를 담지(擔持)한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층과, 이 촉매층의 바깥면에 형성되며 통기성과 전자 도전성을 갖는 확산층으로 이루어진다. 확산층은 일반적으로 탄소종이나 탄소 부직포 등으로 이루어진다. 그리고, 이런 고분자 전해질막과 그 양쪽에 형성된 전극은 막전극 접합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)라고 지칭된다. 또한, 막전극 접합체(MEA)의 외측에는 전극들을 기계적으로 고정함과 동시에 인접하는 다른 막전극 접합체와의 전기적인 접속을 위해 도전성의 분리판이 설치되며, 이런 분리판을 포함한 고분자 전해질막과 전극은 단위전지라고 지칭된다.
막전극 접합체와 접촉하는 분리판에는 전극면에 반응가스를 공급하고 잉여가스와 반응생성물을 운반하기 위한 유로가 형성된다. 이런 유로는 분리판과 별도로 설치될 수도 있지만, 분리판의 표면에 홈 형태로 형성되는 것이 일반적이다.
이런 분리판 중 캐소드 및 애노드 분리판은 전기 전도성, 가스 기밀성 및 내식성이 요구되기 때문에, 종래에는 상기 분리판을 제작하기 위해 레진을 함침시킨 흑연판에 절삭 등의 가공으로 홈을 형성하는 방법, 카본복합체 분말을 압축 성형하여 사용하는 방법, 또는 금속판을 프레스 가공한 후 표면에 내식성 코팅을 하는 방법이 이용되었다.
그리고, 연료전지에는 운전 중에 발생하는 열을 배출하기 위하여 1개 내지 3개 정도의 단위전지마다 냉각매체가 유동하는 냉각부가 설치된다. 냉각부를 구성하는 방법으로는 일측에 연료 가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각 유로를 구비한 연료 가스용 분리판과, 일측에 산화제 가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각 유로를 구비한 산화제 가스용 분리판이 냉각 유로를 갖는 면끼리 접하게 상호 포개지도록 구성하는 방법이 있다. 그리고, 또 다른 방법으로는 일측에 연료 가스 유로를 구비하고 그 반대측에 유로가 형성되지 않은 평판을 구비한 연료 가스용 분리판과, 일측에 산화제 가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각 유로를 구비한 산화제 가스용 분리판이 냉각 유로 측과 평판 측을 접하게 상호 포개지도록 구성하는 방법도 사용될 수 있다.
그리고, 연료전지에는 외부에서 분리판의 표면에 형성된 가스 유로로 반응 가스 및 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각매체를 배출하기 위해서 분리판에 각각의 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각매체 별로 최소 2개 이상의 관통 구멍을 형성하고, 가스 유로의 입출구를 각각 이들의 관통구멍까지 연결시켜 한쪽의 관통 구멍으로부터 반응가스 또는 냉각매체를 각각의 유로로 공급하고 다른 쪽의 관통구멍으로 잉여가스 및 반응생성물 혹은 냉각매체를 배출한다.
분리판에 형성된 관통구멍은 연료전지를 여러 장 적층하여 스택을 구성함에 있어서 적층 방향으로 매니폴드를 형성하게 되는데, 이러한 반응가스 및 냉각매체 공급방식을 내부 매니폴드 방식이라 한다. 그리고, 분리판에 관통구멍을 형성하지 않고 분리판 외측에 가스 분배를 위한 배관이나 구조물을 형성하여 각각의 단위전지로 반응가스 혹은 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 혹은 냉각매체를 배출하는데, 이러한 반응가스 및 냉각매체 공급방식을 외부 매니폴드 방식이라 한다.
이와 같이 일반적인 고분자 전해질 연료전지는 막전극 접합체와 이런 막전극 접합체의 양측에 배치된 애노드 분리판과 캐소드 분리판으로 이루어지는 복수 개의 단위전지들이 적층된 구조로 이루어지고, 적절한 체결수단을 통하여 압축력을 가하여 상호 결합된다.
하지만, 이와 같은 종래기술의 고분자 전해질 연료전지는 통상적으로 퍼플루오르술폰산계의 재료로 제작되는 고분자 전해질막이 수분을 함유한 정도에 비례해서 수소이온 전도성이 높아지는 특성을 갖기 때문에, 연료전지의 성능을 확보하기 위해서 필수적으로 반응 가스 및 전해질막의 수분 및 열 관리가 매우 중요하게 여겨진다.
특히, 종래기술의 고분자 전해질 연료전지는 고부하 조건에서 작동하는 경우에 전기화학반응이 증가하여 캐소드 측에서 생성되는 물의 양이 많아지면 반응가스가 전극으로 공급되는 것을 방해하여 성능이 떨어지는 플러딩(Flooding)현상에 의 한 문제점을 가지며, 또한 전류밀도가 높아지기 때문에 전기화학 반응속도보다 반응가스의 공급속도가 늦어져서 전극의 농도 분극의 증가로 성능이 저하되는 현상에 의한 문제점도 있다.
그래서, 종래에는 상기 플러딩 현상 또는 농도 분극의 증가현상을 개선하기 위하여 반응가스의 이용률을 낮추는 방법이 주로 사용된다. 즉, 반응가스의 이용률을 낮추는 방법은 연료전지로 공급되는 반응가스의 유량을 증가시켜 전극으로 전달되는 반응가스의 공급속도가 빨라지게 함으로써 농도 분극이 줄어들게 하며, 분리판 유로의 입출구 압력차를 증가시켜 유로 내부에 있는 물 제거 능력의 향상으로 플러딩 현상이 개선되게 한다.
이러함에도 불구하고 상술한 방법은 반응에 필요한 유량보다 과도한 반응가스를 공급하여야 하기 때문에 이용률이 낮아져서 연료 및 산화제의 낭비가 심하며 스택의 효율이 떨어지는 단점이 있으며 또한 반응가스 공급에 필요한 압축기 등의 동력소모가 증가하게 되는 단점도 있다.
그래서, 종래에는 상기 플러딩 현상 또는 농도 분극 증가현상을 개선하기 위한 다른 방법으로 분리판에 형성된 유로의 채널 수를 줄이고 채널길이를 길게 하는 방법도 사용되기도 하지만, 이런 방법도 플러딩 현상이나 농도 분극이 발생하지 않은 저부하 영역에서도 불필요한 압력손실이 발생하는 단점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 고부하 운전조건 또는 저부하 운전조건에 따라 불필요한 압력 손실 없이 반응가스 공급을 제어함으로써 플러딩 현상이나 농도 분극 현상을 억제하도록 제작되는 연료전지 분리판과 이를 구비한 연료전지 스택 및 그 반응가스 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 연료전지 분리판은 연료전지 스택의 막전극접합체에 반응가스를 공급하기 위한 분리판으로서, 상기 반응가스의 유입과 배출을 위한 반응가스 입구 관통구멍과 반응가스 출구 관통구멍이 일측 가장자리를 따라 교번되게 순차적으로 형성되고, 상기 반응가스 입구 관통구멍과 반응가스 출구 관통구멍을 각각 하나씩 상호 연결하는 반응가스 유로가 어느 일면 또는 양면에 각각 형성된다.
상기 반응가스 중 하나는 산화제 가스이며, 상기 산화제 가스의 유입과 배출을 위해 제1 산화제 입구 관통구멍, 제1 산화제 출구 관통구멍, 제2 산화제 입구 관통구멍 및 제2 산화제 출구 관통구멍이 일측 가장자리를 따라 각각 순차적으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 반응가스 유로는 산화제 유로이며, 상기 산화제 유로는 그 일면에 상기 산화제 입구 관통구멍과 상기 산화제 출구 관통구멍을 상호 연결하도록 형성되며, 그 복수의 채널이 1회 방향전환을 하도록 절곡됨으로써 U자 형태의 흐름을 갖는 것이 바람직하다.
상기 반응가스 유로는 산화제 유로이며, 상기 산화제 유로는 그 일면에 상기 산화제 입구 관통구멍과 상기 산화제 출구 관통구멍을 상호 연결하도록 형성되며, 그 복수의 채널이 구불구불하게 다수 절곡되는 것이 바람직하다.
상기 반응가스 중 하나는 연료 가스이며, 상기 연료 가스의 유입과 배출을 위해 제1 연료 입구 관통구멍, 제1 연료 출구 관통구멍, 제2 연료 입구 관통구멍 및 제2 연료 출구 관통구멍이 상기 일측 가장자리에 대응하는 반대편 가장자리를 따라 각각 순차적으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 반응가스 유로는 연료 유로이며, 상기 연료 유로는 그 일면에 상기 연료 입구 관통구멍과 상기 연료 출구 관통구멍을 상호 연결하도록 형성되며, 그 복수의 채널이 1회 방향전환을 하도록 절곡됨으로써 U자 형태의 흐름을 갖는 것이 바람직하다.
상기 반응가스 유로는 연료 유로이며, 상기 연료 유로는 그 일면에 상기 연료 입구 관통구멍과 상기 연료 출구 관통구멍을 상호 연결하도록 형성되며, 그 복수의 채널이 구불구불하게 다수 절곡되는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료전지 스택은 전해질 막과 전극으로 이루어진 막전극접합체, 및 한 쌍의 분리판을 구비하는 단위전지들이 순차적으로 적층된 다수 개의 단위전지들과, 상기 다수 개의 단위전지들의 양 단에서 각각 체결수단에 의해 일체로 결합되는 엔드 플레이트를 포함한다. 그리고, 상기 엔드 플레이트에는 상기 반응가스 유로마다 각각 반응가스를 공급하도록 상기 반응가스 입구 관통구멍에 대응하는 반응가스 입구 포트와, 미반응된 잔여 반응가스 및 반응 생성물을 배출하도록 상기 반응가스 출구 관통구멍에 대응하는 반응가스 출구 포트가 각각 교번되게 형성되며, 상기 엔드 플레이트에는 상기 반응가스 입구 포트와 상기 반응가스 출구 포트를 상호 연결하는 배관에 반응가스의 흐름을 개폐할 수 있는 밸브가 설치된다.
상기 반응가스 중 하나는 산화제 가스이며, 상기 엔드 플레이트는 상기 다수 개의 단위전지들의 일측 단에 결합되는 제1 엔드 플레이트이며, 상기 반응가스 입구 포트는 상기 산화제 가스 공급을 위한 제1, 제2 산화제 입구 포트이며, 상기 반응가스 출구 포트는 미반응된 잔여 산화제 가스 및 반응 생성물 배출을 위한 제1, 제2 산화제 출구 포트인 것이 바람직하다.
상기 밸브는 상기 제1, 제2 산화제 입구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 산화제 입구 밸브인 것이 바람직하다.
상기 밸브는 상기 제1, 제2 산화제 출구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 산화제 출구 밸브인 것이 바람직하다.
상기 엔드 플레이트는 상기 다수 개의 단위전지들의 타측 단에 결합되는 제2 엔드 플레이트를 더 포함하며, 상기 반응가스 입구 포트는 상기 제2 산화제 입구 포트와 매니폴드를 공유하는 제3 산화제 입구 포트를 더 포함하고, 상기 반응가스 출구 포트는 상기 제1 산화제 출구 포트와 매니폴드를 공유하는 제3 산화제 출구 포트를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 밸브는 상기 제3 산화제 입구 포트와 상기 제3 산화제 출구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 산화제 중간 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 반응가스 중 하나는 연료 가스이며, 상기 엔드 플레이트는 상기 다수 개의 단위전지들의 일측 단에 결합되는 제1 엔드 플레이트이며, 상기 반응가스 입구 포트는 상기 연료 가스 공급을 위한 제1, 제2 연료 입구 포트이며, 상기 반응가 스 출구 포트는 미반응된 잔여 연료 가스의 배출을 위한 제1, 제2 연료 출구 포트인 것이 바람직하다.
상기 밸브는 상기 제1, 제2 연료 입구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 연료 입구 밸브인 것이 바람직하다.
상기 밸브는 상기 제1, 제2 연료 출구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 연료 출구 밸브인 것이 바람직하다.
상기 엔드 플레이트는 상기 다수 개의 단위전지들의 타측 단에 결합되는 제2 엔드 플레이트를 더 포함하며, 상기 반응가스 입구 포트는 상기 제2 연료 입구 포트와 매니폴드를 공유하는 제3 연료 입구 포트를 더 포함하고, 상기 반응가스 출구 포트는 상기 제1 연료 출구 포트와 매니폴드를 공유하는 제3 연료 출구 포트를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 밸브는 상기 제3 연료 입구 포트와 상기 제3 연료 출구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 연료 중간 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료전지 스택의 반응가스 제어방법은 상기 연료전지 스택에 플러딩 현상 또는 농도 분극 현상과 같은 성능 감소 원인이 발생되는지를 판별하고서, 성능 감소 원인이 발생되지 않는 경우에 저부하 운전 조건으로 상기 연료전지 스택에 공급되는 반응가스의 흐름을 제어하고, 성능 감소 원인이 발생되는 경우에 고부하 운전 조건으로 상기 연료전지 스택에 공급되는 반응가스의 흐름을 제어한다. 상기 저부하 운전 조건은 반응가스 입구 밸브와 반응가스 출구 밸브가 열림 상태로 유지되고, 반응가스 중간 밸브가 닫힘 상태로 유지되면서, 상기 제1, 제2 반응가스 입구 포트를 통해 상기 반응가스가 분리 공급되고, 상기 제1, 제2 반응가스 출구 포트를 통해 상기 반응가스가 각각 배출된다. 그리고, 상기 고부하 운전 조건은 반응가스 입구 밸브와 반응가스 출구 밸브가 닫힘 상태로 유지되고, 반응가스 중간 밸브가 열림 상태로 유지되면서, 상기 제1 반응가스 입구 포트로만 상기 반응가스가 공급되고, 상기 제2 반응가스 출구 포트를 통해 상기 반응가스가 배출된다.
상기 반응가스의 흐름은 산화제 가스의 흐름이며, 상기 저부하 운전 조건에서 상기 산화제 가스는 제1, 제2 산화제 입구 포트를 통해 분리 공급되고, 다수 개의 단위전지들의 적층에 의해 형성된 산화제 입구 매니폴드를 통과하면서 연료전지 분리판의 제1, 제2 산화제 입구 관통구멍을 통해 각각의 산화제 유로로 유입되고, 전기화학반응에 이용된 후에 제1, 제2 산화제 출구 관통구멍을 통해 각각의 산화제 출구 매니폴드로 배출되어, 최종적으로 제1, 제2 산화제 출구 포트를 통해 외부로 배출되는 것이 바람직하다.
상기 고부하 운전 조건에서 상기 산화제 가스는 제1 산화제 입구 포트로만 공급되고, 다수 개의 단위전지들의 적층에 의해 형성된 제1 산화제 입구 매니폴드를 통과하면서 연료전지 분리판의 제1 산화제 입구 관통구멍을 통해 제1 산화제 유로로 유입되고, 전기화학반응에 이용된 후에 제1 산화제 출구 관통구멍을 통해 제1 산화제 출구 매니폴드로 배출되어 제3 산화제 출구 포트로 유도되고, 다시 제3 산화제 입구 포트를 통해 제2 산화제 입구 매니폴드로 유입되고, 연료전지 분리판의 제2 산화제 입구 관통구멍을 통해 제2 산화제 유로로 유입되고, 다시 전기화학반응 에 이용된 후에 제2 산화제 출구 관통구멍을 통해 제2 산화제 출구 매니폴드로 배출되어, 최종적으로 상기 제2 산화제 출구 포트를 통해 외부로 배출되는 것이 더 바람직하다.
상기 반응가스의 흐름은 연료 가스의 흐름이며, 상기 저부하 운전 조건에서 상기 연료 가스는 제1, 제2 연료 입구 포트를 통해 분리 공급되고, 다수 개의 단위전지들의 적층에 의해 형성된 연료 입구 매니폴드를 통과하면서 연료전지 분리판의 제1, 제2 연료 입구 관통구멍을 통해 각각의 연료 유로로 유입되고, 전기화학반응에 이용된 후에 제1, 제2 연료 출구 관통구멍을 통해 각각의 연료 출구 매니폴드로 배출되어, 최종적으로 제1, 제2 연료 출구 포트를 통해 외부로 배출되는 것이 바람직하다.
상기 고부하 운전 조건에서 상기 연료 가스는 제1 연료 입구 포트로만 공급되고, 다수 개의 단위전지들의 적층에 의해 형성된 제1 연료 입구 매니폴드를 통과하면서 연료전지 분리판의 제1 연료 입구 관통구멍을 통해 제1 연료 유로로 유입되고, 전기화학반응에 이용된 후에 제1 연료 출구 관통구멍을 통해 제1 연료 출구 매니폴드로 배출되어 제3 연료 출구 포트로 유도되고, 다시 제3 연료 입구 포트를 통해 제2 연료 입구 매니폴드로 유입되고, 연료전지 분리판의 제2 연료 입구 관통구멍을 통해 제2 연료 유로로 유입되고, 다시 전기화학반응에 이용된 후에 제2 연료 출구 관통구멍을 통해 제2 연료 출구 매니폴드로 배출되어, 최종적으로 상기 제2 연료 출구 포트를 통해 외부로 배출되는 것이 더 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 분리판을 나타낸 정면도이다.
본 실시예의 연료전지 분리판은 취급하는 반응가스에 따라 연료전지 캐소드 분리판과 연료전지 애노드 분리판으로 구분될 뿐이며, 다음과 같은 동일한 특징을 갖는다. 도 1에 도시된 바와 같이 연료전지 캐소드 분리판(100)은 그 일측 가장자리를 따라 산화제 유입과 배출을 위한 제1 산화제 입구 관통구멍(111), 제1 산화제 출구 관통구멍(112), 제2 산화제 입구 관통구멍(113) 및 제2 산화제 출구 관통구멍(114)이 각각 순차적으로 형성된다. 그리고, 연료전지 캐소드 분리판(100)에는 어느 일면에 제1 산화제 입구 관통구멍(111)과 제1 산화제 출구 관통구멍(112)을 연결하여 복수의 채널이 1회 방향전환을 하도록 절곡됨으로써 U자 형태의 흐름을 갖는 제1 산화제 유로(121)와, 제2 산화제 입구 관통구멍(113)과 제2 산화제 출구 관통구멍(114)을 연결하여 복수의 채널이 1회 방향전환을 하도록 절곡됨으로써 U자 형태의 흐름을 갖는 제2 산화제 유로(122)로 각각 형성된다.
연료전지 캐소드 분리판(100)은 상기 산화제 입출구 관통구멍(111, 112, 113, 114)이 형성된 일측 가장자리에 대응하는 반대편 가장자리를 따라 연료 유입과 배출을 위한 제1 연료 입구 관통구멍(131), 제1 연료 출구 관통구멍(132), 제2 연료 입구 관통구멍(133) 및 제2 연료 출구 관통구멍(134)이 각각 순차적으로 형성된다. 이때 본 실시예의 연료전지 캐소드 분리판(100)은 제1 연료 입구 관통구 멍(131)이 제1 산화제 입구 관통구멍(111)과 상호 마주하지 않고 상호 대각선 방향에 위치하지만 필요에 따라서는 상호 마주하는 방향에 위치할 수도 있다.
연료전지 애노드 분리판에는 상기 산화제 유로(121, 122)와 유사한 형태로 제1 연료 입구 관통구멍(131)과 제1 연료 출구 관통구멍(132)을 연결하여 복수의 채널이 1회 방향전환을 하도록 절곡됨으로써 U자 형태의 흐름을 갖는 제1 연료 유로(도시 안됨)와, 제2 연료 입구 관통구멍(133)과 제2 연료 출구 관통구멍(134)을 연결하여 복수의 채널이 1회 방향전환을 하도록 절곡됨으로써 U자 형태의 흐름을 갖는 제2 연료 유로(도시 안됨)로 각각 형성된다.
연료전지 캐소드 분리판(100) 및 연료전지 애노드 분리판에는 냉각매체의 유입과 배출을 위한 냉각매체 입구 관통구멍(141) 및 냉각매체 출구 관통구멍(142)이 각각 형성된다. 이런 냉각매체 입구 관통구멍(141) 및 냉각매체 출구 관통구멍(142)은 산화제 입출구 관통구멍(111, 112, 113, 114)과 연료 입출구 관통구멍(131, 132, 133, 134)이 형성되지 않은 가장자리 부근에 상호 대향하도록 각각 형성된다. 그리고, 냉각매체 입구 관통구멍(141) 및 냉각매체 출구 관통구멍(142)은 연료전지 분리판의 배면에 형성되는 냉각매체의 유로에 의해 연결되며, 그 연결 형태는 적절하게 변형될 수 있다.
그리고, 연료전지 캐소드 분리판(100)은 냉각매체 유로가 형성된 면이 연료전지 애노드 분리판의 냉각매체 유로가 형성된 면과 상호 대면하도록 겹쳐지거나, 또 다른 방식으로 그 일면에 연료 유로가 형성되고 그 배면에 유로가 형성되지 않은 연료전지 애노드 분리판과 겹쳐지는 경우에 냉각매체 유로가 형성된 면이 유로 가 형성되지 않은 면에 상호 대면하도록 겹쳐져서 한 쌍의 연료전지 분리판을 구성할 수도 있다.
그리고, 연료전지 캐소드 분리판(100') 및 연료전지 애노드 분리판은 상술한 바와 같이 산화제 유로(121, 122)와 연료 유로(도시 안됨)가 U자 형태의 흐름을 갖도록 형성되는 것이 바람직하지만, 도 2에 도시된 바와 같이 복수 개의 채널이 구불구불하게 다수 절곡되어도 무방하다.
아래에서는 상기와 같은 연료전지 분리판을 구비한 연료전지 스택 및 이런 연료전지 스택에 사용되는 반응가스(산화제 가스 및 연료 가스) 제어방법에 대해 설명하겠다.
도 3은 도 1 또는 도 2에 도시된 연료전지 분리판을 구비한 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 스택을 분해 도시한 것으로서, 저부하 운전시 산화제 가스 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 스택(200)은 상기 설명된 연료전지 캐소드 분리판(100)과 연료전지 애노드 분리판으로 이루어진 연료전지 분리판을 이용한다. 즉, 연료전지 스택(200)은 캐소드 분리판(101)과 애노드 분리판(102), 및 전해질 막과 전극으로 이루어진 막전극접합체(103)이 하나의 단위전지(210)로 형성되고, 이런 다수 개의 단위전지(210)들이 순차적으로 적층된다. 이때, 연료전지 스택(200)은 적층된 다수의 단위전지(210)들의 양 단에 위치하는 종단 캐소드 분리판(104) 및 종단 애노드 분리판(105)으로 지칭하며, 이런 종단 캐소드 분리판(104) 및 종단 애노드 분리판(105)은 제1, 제2 엔드 플레이트(220, 230) 에 각각 접하기 때문에 그 일면에 산화제 유로 또는 연료 유로가 각각 형성되고 그 배면에 유로가 형성되지 않는다. 그리고, 연료전지 스택(200)은 다수 개의 단위전지(210)들이 적층된 스택의 양 단부에 제1, 제2 엔드 플레이트(220, 230)가 체결수단에 의해 일체로 결합된다.
제1 엔드 플레이트(220)에는 산화제 가스 공급을 위한 제1, 제2 산화제 입구 포트(221, 223)와, 미반응된 잔여 산화제 가스 및 반응 생성물 배출을 위한 제1, 제2 산화제 출구 포트(222, 224)가 형성된다. 그리고, 제1 엔드 플레이트(220)에는 제1, 제2 산화제 입구 포트(221, 223)를 상호 연결하도록 배관이 설치되며, 이런 배관 상에는 제2 산화제 입구 포트(223)의 전단 부근에서 가스의 흐름을 개폐할 수 있도록 산화제 입구 밸브(225)가 설치된다. 또한, 제1 엔드 플레이트(220)에는 제1, 제2 산화제 출구 포트(222, 224)를 상호 연결하도록 배관이 설치되며, 이런 배관 상에는 제1 산화제 출구 포트(222) 전단 부근에서 가스의 흐름을 개폐할 수 있도록 산화제 출구 밸브(226)가 설치된다.
제2 엔드 플레이트(230)에는 제2 산화제 입구 포트(223)와 매니폴드를 공유하는 제3 산화제 입구 포트(231), 및 제1 산화제 출구 포트(222)와 매니폴드를 공유하는 제3 산화제 출구 포트(232)가 각각 설치된다. 그리고, 제2 엔드 플레이트(230)에는 제3 산화제 입구 포트(231)와 제3 산화제 출구 포트(232)를 상호 연결하도록 배관이 설치되며, 이런 배관 상에는 제3 산화제 입구 포트(231)의 전단 부근에서 가스의 흐름을 개폐할 수 있도록 산화제 중간 밸브(235)가 설치된다.
이와 같이 구성된 연료전지 스택(200)은 저부하 운전시 산화제 가스 흐름이 다음과 같이 제어된다. 연료전지 스택(200)의 저부하 운전 조건에서는 산화제 입구 밸브(225)와 산화제 출구 밸브(226)가 열림 상태로 유지되고, 산화제 중간 밸브(235)가 닫힘 상태로 유지된다.
그러면, 산화제 가스의 흐름은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 제1, 제2 산화제 입구 포트(221, 223)에 산화제 가스가 동일하게 분리 공급되어, 다수 개의 단위전지(210)들의 적층에 의해 형성된 산화제 입구 매니폴드(240)를 통과하면서 산화제 가스가 연료전지 캐소드 분리판(100)의 일측에 형성된 제1, 제2 산화제 입구 관통구멍(111, 113)을 통해 각각의 산화제 유로(121, 122)로 유입된다. 이런 산화제 가스는 전기화학반응에 이용된 후에 제1, 제2 산화제 출구 관통구멍(112, 114)을 통해 각각의 산화제 출구 매니폴드(242)로 배출된다. 이때, 산화제 가스의 흐름은 산화제 중간 밸브(235)가 밀폐되어 있기 때문에, 최종적으로 제1, 제2 산화제 출구 포트(222, 224)를 통해 외부로 배출되도록 구성된다.
즉, 연료전지 스택(200)은 저부하 운전시에도 도 4에 도시된 바와 같이 연료전지 캐소드 분리판(100)의 산화제 유로(121, 122)에 산화제 가스가 각각 분리 공급되기 때문에, 종래기술과 같이 하나의 유로로 형성된 경우에 비해 유로의 길이가 절반으로 단축됨으로 불필요한 압력손실이 없어도 반응가스를 용이하게 공급할 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 연료전지 스택을 분해 도시한 것으로서, 고부하 운전시 산화제 가스 흐름을 나타낸 개략도이다.
통상적인 연료전지 스택의 고부하 운전시에는 전류밀도가 높아서 플러딩 현 상이 발생할 가능성이 높고 농도 분극 또한 크기 때문에, 반응가스 이용률을 낮추어서 유로 내부의 유속 및 압력강하를 크게 함으로써 이에 대처한다. 하지만 본 실시예에서는 고부하 운전시 반응가스의 이용률을 낮추거나 고부하 운전 전용 분리판을 채용할 필요없이 산화제 가스의 흐름을 다음과 같이 제어한다.
즉, 연료전지 스택(200)은 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이 고부하 운전 조건에서 산화제 입구 밸브(225)와 산화제 출구 밸브(226)가 닫힘 상태로 유지되고, 산화제 중간 밸브(235)가 열림 상태로 유지된다.
그러면, 산화제 가스의 흐름은 제1 산화제 입구 포트(221)에만 산화제 가스가 공급되어, 제1 산화제 입구 매니폴드(240)를 통과하면서 연료전지 캐소드 분리판(100)의 일측에 형성된 제1 산화제 입구 관통구멍(111)을 통해 제1 산화제 유로(121)로 유입된다. 그런 다음에 산화제 가스는 전기화학반응에 이용된 후에 제1 산화제 출구 관통구멍(112)을 통해 제1 산화제 출구 매니폴드(242)로 배출되어 제3 산화제 출구 포트(232)로 유도된다. 이렇게 제3 산화제 출구 포트(232)로 유도된 산화제 가스는 다시 제3 산화제 입구 포트(231)를 통해 제2 산화제 입구 매니폴드(241)로 유입되고, 연료전지 캐소드 분리판(100)의 제2 산화제 입구 관통구멍(113)을 통해 제2 산화제 유로(122)로 유입된다. 그러면, 산화제 가스는 다시 전기화학반응에 이용된 후에 제2 산화제 출구 관통구멍(114)을 통해 제2 산화제 출구 매니폴드(243)로 배출되어, 최종적으로 제2 산화제 출구 포트(224)를 통해 외부로 배출된다.
이와 같이 연료전지 스택(200)은 고부하 운전시에 도 6에 도시된 바와 같이 산화제 가스가 연료전지 캐소드 분리판(100)의 제1 산화제 유로(121)에 유입되어 전체 전극 면적 중 절반 영역에서 이용되고, 다시 제2 산화제 유로(122)에 유입되어 나머지 전극 면적 중 절반 영역에서 이용된 후에 배출된다. 또한, 연료전지 스택(200)은 고부하 운전시 하나의 산화제 입구 포트를 통해서만 산화제 가스가 공급되기 때문에, 도 3에 도시한 저부하 운전시의 산화제 가스의 흐름과 비교시 반응가스 이용률이 동일해도 유로 채널의 내부에 흐르는 산화제 가스의 유량이 두 배로 증가함으로, 유로 채널의 내부에 존재하는 물의 배출이 보다 용이해지고, 고부하 운전시 발생될 수 있는 플러딩 현상도 방지할 수 있다. 그리고, 연료전지 스택(200)의 반응가스 제어방법에서는 고부하 운전시 유로 채널의 내부에 공급되는 산화제 가스의 공급 속도가 빨라지게 되는 경우에 전극으로의 반응 가스의 전달이 증가하여 농도 분극 현상도 적어지게 된다.
결국, 연료전지 스택(200)의 반응가스 제어방법은 통상적인 운전시 저부하 운전 조건과 같은 방법으로 산화제 가스의 흐름을 제어하다가, 연료전지 스택의 성능을 감소시키는 원인인 플러딩 현상 또는 농도 분극이 증가하는 경우에 고부하 운전 조건으로 산화제 가스의 흐름을 전환하고, 다시 성능 감소 원인이 해소된 경우에 저부하 운전 조건으로 산화제 가스의 흐름을 제어한다.
도 7은 도 3에 도시된 연료전지 스택을 분해 도시한 것으로서, 저부하 운전시 연료 가스 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(200)은 도 1 또는 도 2에 도시된 연료전지 분리판을 이용하며, 연료 가스의 이용을 위한 다음과 같은 구성요소를 구 비한다.
즉, 제1 엔드 플레이트(220)에는 연료 가스의 공급을 위한 제1, 제2 연료 입구 포트(251, 253)와, 미반응된 잔여 연료 가스 배출을 위한 제1, 제2 연료 출구 포트(252, 254)가 형성된다. 그리고, 제1 엔드 플레이트(220)에는 제1, 제2 연료 입구 포트(251, 253)를 상호 연결하도록 배관이 설치되며, 이런 배관 상에는 제2 연료 입구 포트(253)의 전단 부근에서 가스의 흐름을 개폐할 수 있도록 연료 입구 밸브(255)가 설치된다. 또한, 제1 엔드 플레이트(220)에는 제1, 제2 연료 출구 포트(252, 254)를 상호 연결하도록 배관이 설치되며, 이런 배관 상에는 제1 연료 출구 포트(252)의 전단 부근에서 가스의 흐름을 개폐할 수 있도록 연료 출구 밸브(256)가 설치된다.
또한, 제2 엔드 플레이트(230)에는 제2 연료 입구 포트(253)와 매니폴드를 공유하는 제3 연료 입구 포트(261), 및 제1 연료 출구 포트(252)와 매니폴드를 공유하는 제3 연료 출구 포트(262)가 각각 설치된다. 그리고, 제2 엔드 플레이트(230)에는 제3 연료 입구 포트(261)와 제3 연료 출구 포트(262)를 상호 연결하도록 배관이 설치되며, 이런 배관 상에는 제3 연료 입구 포트(261)의 전단 부근에서 가스의 흐름을 개폐할 수 있도록 연료 중간 밸브(265)가 설치된다.
상기 설명한 바와 같이 연료전지 스택(200)은 산화제 가스의 이용을 위해 필요한 구성 요소와 동일하게 연료 가스의 이용에 필요한 구성 요소를 각각 구비하고 있으며, 그 기능도 동일하다.
이로 인해 저부하 운전 조건에서 연료 가스의 흐름은 도 7에 도시된 바와 같 이 제1, 제2 연료 입구 포트(251, 253)에 연료 가스가 동일하게 분리 공급되어, 각각의 연료 입구 매니폴드(270)를 통과하면서 연료 가스가 연료전지 애노드 분리판의 연료 유로로 유입된다. 그런 다음에 연료 가스는 전기화학반응에 이용된 후에 각각의 연료 출구 매니폴드(272)로 배출되고, 연료 중간 밸브(265)가 밀폐되어 있기 때문에 최종적으로 제1, 제2 연료 출구 포트(252, 254)를 통해 외부로 배출된다.
다만, 연료전지 스택(200)은 연료전지 애노드 분리판에 형성된 산화제 입출구 관통구멍(111, 112, 113, 114)과 연료 입출구 관통구멍(131, 132, 133, 134)의 위치가 상호 상반되기 때문에, 연료 가스의 흐름과 산화제 가스의 흐름에 대한 상하 위치관계만 다를 뿐 그 동작 제어방법은 동일하다.
도 8은 도 3에 도시된 연료전지 스택을 분해 도시한 것으로서, 고부하 운전시 연료 가스 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 8에 도시된 바와 같이, 고부하 운전시 연료 가스의 흐름은 제1 연료 입구 포트(251)에만 연료 가스가 공급되어, 제1 연료 입구 매니폴드(270)를 통과하면서 연료전지 애노드 분리판의 제1 연료 입구 관통구멍(131)을 통해 제1 연료 유로로 유입된다. 그런 다음에 연료 가스는 전기화학반응에 이용된 후에 제1 연료 출구 관통구멍(132)을 통해 제1 연료 출구 매니폴드(273)로 배출되어 제3 연료 출구 포트(262)로 유도된다. 이렇게 제3 연료 출구 포트(262)로 유도된 연료 가스는 다시 제3 연료 입구 포트(261)를 통해 제2 연료 입구 매니폴드(271)로 유입되고, 제2 연료 입구 관통구멍(133)을 통해 제2 연료 유로로 유입된다. 그러면, 연료 가스는 다시 전기화학반응에 이용된 후에 제2 연료 출구 관통구멍(134)을 통해 제2 연료 출구 매니폴드(273)로 배출되어, 최종적으로 제2 연료 출구 포트(254)를 통해 외부로 배출된다.
결국, 연료전지 스택(200)의 반응가스 제어방법은 산화제 가스의 흐름에 대한 원리가 연료 가스의 흐름에도 동일하게 적용된다.
도 9는 도 3에 도시된 연료전지 스택을 분해 도시한 것으로서, 냉각매체 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 9에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(200)은 제1 엔드 플레이트(220) 또는 제2 엔드 플레이트(230)에 냉각매체 공급을 위한 냉각매체 입구 포트(280)과, 냉각매체 배출을 위한 냉각매체 출구 포트(281)가 설치된다. 그러면, 냉각매체는 냉각매체 입구 포트(280)를 통해 연료전지 스택(200)의 내부로 유입되어, 연료전지 분리판에 형성된 냉각매체 입구 관통구멍(141)을 통해 냉각매체 유로를 따라 흐르면서 연료전지 스택의 냉각기능을 수행하고, 냉각매체 출구 관통구멍(142)과 냉각매체 출구 포트(281)를 각각 통과하여 외부로 배출된다. 이때 연료전지 분리판에서의 냉각매체 흐름은 산화제 가스의 흐름과 같은 방향인 것이 바람직하고, 즉 산화제 가스가 아래에서 위 방향으로 공급된다면 냉각매체가 아래에서 위 방향으로 공급되는 것이 바람직하다.
이상, 본 실시예는 연료전지 분리판에 한 쌍의 산화제 유로(121, 122) 및 한 쌍의 연료 유로가 각각 구비됨으로써 전체 전극 면적을 분할 담당한다고 설명했지만, 필요에 따라 한 쌍의 산화제 유로(121, 122) 및 한 쌍의 연료 유로가 연료전지 분리판에 다수 개 형성될 수 있고, 그에 따라 연료전지 분리판에 산화제 가스와 연료 가스를 공급 또는 배출하기 위한 연료전지 스택(200)의 구성 요소도 동일하게 추가로 구비될 수 있다.
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 것이 당연하다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 고부하 운전조건 또는 저부하 운전조건에 따라 불필요한 압력 및 이용률 손실없이 반응가스 공급을 제어함으로써 연료전지 스택에 발생되는 플러딩 현상이나 농도 분극 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

Claims (23)

  1. 연료전지 스택의 막전극접합체에 반응가스를 공급하기 위한 분리판으로서,
    상기 반응가스의 유입과 배출을 위한 반응가스 입구 관통구멍과 반응가스 출구 관통구멍이 일측 가장자리를 따라 교번되게 순차적으로 형성되고,
    상기 반응가스 입구 관통구멍과 반응가스 출구 관통구멍을 각각 하나씩 상호 연결하는 반응가스 유로가 어느 일면에 형성되고,
    상기 반응가스 중 하나는 산화제 가스이며, 상기 산화제 가스의 유입과 배출을 위해 제1 산화제 입구 관통구멍, 제1 산화제 출구 관통구멍, 제2 산화제 입구 관통구멍 및 제2 산화제 출구 관통구멍이 일측 가장자리를 따라 각각 순차적으로 형성되고,
    상기 반응가스 중 하나는 연료 가스이며, 상기 연료 가스의 유입과 배출을 위해 제1 연료 입구 관통구멍, 제1 연료 출구 관통구멍, 제2 연료 입구 관통구멍 및 제2 연료 출구 관통구멍이 상기 일측 가장자리에 대응하는 반대편 가장자리를 따라 각각 순차적으로 형성되는
    것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스 유로는 산화제 유로이며,
    상기 산화제 유로는 그 일면에 상기 산화제 입구 관통구멍과 상기 산화제 출구 관통구멍을 상호 연결하도록 형성되며, 그 복수의 채널이 1회 방향전환을 하도록 절곡됨으로써 U자 형태의 흐름을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스 유로는 산화제 유로이며,
    상기 산화제 유로는 그 일면에 상기 산화제 입구 관통구멍과 상기 산화제 출구 관통구멍을 상호 연결하도록 형성되며, 그 복수의 채널이 구불구불하게 다수 절곡되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스 유로는 연료 유로이며,
    상기 연료 유로는 그 일면에 상기 연료 입구 관통구멍과 상기 연료 출구 관통구멍을 상호 연결하도록 형성되며, 그 복수의 채널이 1회 방향전환을 하도록 절곡됨으로써 U자 형태의 흐름을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스 유로는 연료 유로이며,
    상기 연료 유로는 그 일면에 상기 연료 입구 관통구멍과 상기 연료 출구 관통구멍을 상호 연결하도록 형성되며, 그 복수의 채널이 구불구불하게 다수 절곡되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
  8. 전해질 막과 전극으로 이루어진 막전극접합체, 및 한 쌍의 분리판을 구비하는 단위전지들이 순차적으로 적층된 다수 개의 단위전지들과; 상기 다수 개의 단위전지들의 양 단에서 각각 체결수단에 의해 일체로 결합되는 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 단위전지의 분리판은 청구항 1에 기재된 연료전지 분리판이며,
    상기 엔드 플레이트에는 상기 반응가스 유로마다 각각 반응가스를 공급하도록 상기 반응가스 입구 관통구멍에 대응하는 반응가스 입구 포트와, 미반응된 잔여 반응가스 및 반응 생성물을 배출하도록 상기 반응가스 출구 관통구멍에 대응하는 반응가스 출구 포트가 각각 교번되게 형성되며; 상기 엔드 플레이트에는 상기 반응가스 입구 포트와 상기 반응가스 출구 포트를 상호 연결하는 배관에 반응가스의 흐름을 개폐할 수 있는 밸브가 설치되고,
    상기 반응가스 중 하나는 산화제 가스이며, 상기 엔드 플레이트는 상기 다수 개의 단위전지들의 일측 단에 결합되는 제1 엔드 플레이트이며, 상기 반응가스 입구 포트는 상기 산화제 가스 공급을 위한 제1, 제2 산화제 입구 포트이며, 상기 반응가스 출구 포트는 미반응된 잔여 산화제 가스 및 반응 생성물 배출을 위한 제1, 제2 산화제 출구 포트이고,
    상기 반응가스 중 하나는 연료 가스이며, 상기 엔드 플레이트는 상기 다수 개의 단위전지들의 일측 단에 결합되는 제1 엔드 플레이트이며, 상기 반응가스 입구 포트는 상기 연료 가스 공급을 위한 제1, 제2 연료 입구 포트이며, 상기 반응가스 출구 포트는 미반응된 잔여 연료 가스의 배출을 위한 제1, 제2 연료 출구 포트인
    것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 제1, 제2 산화제 입구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 산화제 입구 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 제1, 제2 산화제 출구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 산화제 출구 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트는 상기 다수 개의 단위전지들의 타측 단에 결합되는 제2 엔드 플레이트를 더 포함하며,
    상기 반응가스 입구 포트는 상기 제2 산화제 입구 포트와 매니폴드를 공유하는 제3 산화제 입구 포트를 더 포함하고,
    상기 반응가스 출구 포트는 상기 제1 산화제 출구 포트와 매니폴드를 공유하는 제3 산화제 출구 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 제3 산화제 입구 포트와 상기 제3 산화제 출구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 산화제 중간 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  14. 삭제
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 제1, 제2 연료 입구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 연료 입구 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 제1, 제2 연료 출구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 연료 출구 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트는 상기 다수 개의 단위전지들의 타측 단에 결합되는 제2 엔드 플레이트를 더 포함하며,
    상기 반응가스 입구 포트는 상기 제2 연료 입구 포트와 매니폴드를 공유하는 제3 연료 입구 포트를 더 포함하고,
    상기 반응가스 출구 포트는 상기 제1 연료 출구 포트와 매니폴드를 공유하는 제3 연료 출구 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 제3 연료 입구 포트와 상기 제3 연료 출구 포트를 상호 연결하는 배관에 설치되어 가스의 흐름을 개폐할 수 있는 연료 중간 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  19. 청구항 18에 기재된 연료전지 스택의 반응가스 제어방법에 관한 것으로서,
    상기 연료전지 스택에 플러딩 현상 또는 농도 분극 현상과 같은 성능 감소 원인이 발생되는지를 판별하고서, 성능 감소 원인이 발생되지 않는 경우에 저부하 운전 조건으로 상기 연료전지 스택에 공급되는 반응가스의 흐름을 제어하고, 성능 감소 원인이 발생되는 경우에 고부하 운전 조건으로 상기 연료전지 스택에 공급되는 반응가스의 흐름을 제어하며;
    상기 저부하 운전 조건은 반응가스 입구 밸브와 반응가스 출구 밸브가 열림 상태로 유지되고, 반응가스 중간 밸브가 닫힘 상태로 유지되면서, 상기 제1, 제2 반응가스 입구 포트를 통해 상기 반응가스가 분리 공급되고, 상기 제1, 제2 반응가스 출구 포트를 통해 상기 반응가스가 각각 배출되며;
    상기 고부하 운전 조건은 반응가스 입구 밸브와 반응가스 출구 밸브가 닫힘 상태로 유지되고, 반응가스 중간 밸브가 열림 상태로 유지되면서, 상기 제1 반응가스 입구 포트로만 상기 반응가스가 공급되고, 상기 제2 반응가스 출구 포트를 통해 상기 반응가스가 배출되는
    것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 반응가스 제어방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 반응가스의 흐름은 산화제 가스의 흐름이며,
    상기 저부하 운전 조건에서 상기 산화제 가스는 제1, 제2 산화제 입구 포트를 통해 분리 공급되고, 다수 개의 단위전지들의 적층에 의해 형성된 산화제 입구 매니폴드를 통과하면서 연료전지 분리판의 제1, 제2 산화제 입구 관통구멍을 통해 각각의 산화제 유로로 유입되고, 전기화학반응에 이용된 후에 제1, 제2 산화제 출구 관통구멍을 통해 각각의 산화제 출구 매니폴드로 배출되어, 최종적으로 제1, 제2 산화제 출구 포트를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 반응가스 제어방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 고부하 운전 조건에서 상기 산화제 가스는 제1 산화제 입구 포트로만 공급되고, 다수 개의 단위전지들의 적층에 의해 형성된 제1 산화제 입구 매니폴드를 통과하면서 연료전지 분리판의 제1 산화제 입구 관통구멍을 통해 제1 산화제 유로로 유입되고, 전기화학반응에 이용된 후에 제1 산화제 출구 관통구멍을 통해 제1 산화제 출구 매니폴드로 배출되어 제3 산화제 출구 포트로 유도되고, 다시 제3 산화제 입구 포트를 통해 제2 산화제 입구 매니폴드로 유입되고, 연료전지 분리판의 제2 산화제 입구 관통구멍을 통해 제2 산화제 유로로 유입되고, 다시 전기화학반응에 이용된 후에 제2 산화제 출구 관통구멍을 통해 제2 산화제 출구 매니폴드로 배 출되어, 최종적으로 상기 제2 산화제 출구 포트를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 반응가스 제어방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 반응가스의 흐름은 연료 가스의 흐름이며,
    상기 저부하 운전 조건에서 상기 연료 가스는 제1, 제2 연료 입구 포트를 통해 분리 공급되고, 다수 개의 단위전지들의 적층에 의해 형성된 연료 입구 매니폴드를 통과하면서 연료전지 분리판의 제1, 제2 연료 입구 관통구멍을 통해 각각의 연료 유로로 유입되고, 전기화학반응에 이용된 후에 제1, 제2 연료 출구 관통구멍을 통해 각각의 연료 출구 매니폴드로 배출되어, 최종적으로 제1, 제2 연료 출구 포트를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 반응가스 제어방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 고부하 운전 조건에서 상기 연료 가스는 제1 연료 입구 포트로만 공급되고, 다수 개의 단위전지들의 적층에 의해 형성된 제1 연료 입구 매니폴드를 통과하면서 연료전지 분리판의 제1 연료 입구 관통구멍을 통해 제1 연료 유로로 유입되고, 전기화학반응에 이용된 후에 제1 연료 출구 관통구멍을 통해 제1 연료 출구 매니폴드로 배출되어 제3 연료 출구 포트로 유도되고, 다시 제3 연료 입구 포트를 통해 제2 연료 입구 매니폴드로 유입되고, 연료전지 분리판의 제2 연료 입구 관통구 멍을 통해 제2 연료 유로로 유입되고, 다시 전기화학반응에 이용된 후에 제2 연료 출구 관통구멍을 통해 제2 연료 출구 매니폴드로 배출되어, 최종적으로 상기 제2 연료 출구 포트를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 반응가스 제어방법.
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