KR101009621B1 - Stack for fuel cell and fuel cell system having the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 별도의 접착제의 사용없이 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리의 접착이 이루어질 수 있도록, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly), 수소 및 산소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator), 상기 막-전극 어셈블리와의 접하는 상기 세퍼레이터의 외주부를 따라 설치되어 상기 막-전극 어셈블리에 열을 가하는 가열부를 포함하는 연료 전지용 스택을 제공한다.The present invention has a membrane-electrode assembly (Membrane-Electrode assembly), the channel and the movement of hydrogen and oxygen so that the adhesion between the separator and the membrane-electrode assembly without the use of a separate adhesive on both sides of the membrane-electrode assembly Provided is a fuel cell stack including a separator disposed in close contact with each other and a heating unit installed along an outer circumference of the separator in contact with the membrane-electrode assembly to apply heat to the membrane-electrode assembly.

연료전지, 스택, 세퍼레이터, 열선, 홈, 덮개 Fuel Cell, Stack, Separator, Hot Wire, Groove, Cover

Description

연료 전지용 스택 및 이를 구비한 연료 전지 시스템 {STACK FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}Stack for fuel cell and fuel cell system having same {STACK FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}

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

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 전기 발생부를 도시한 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view illustrating an electricity generating unit of a stack for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도 2의 결합 단면 구성도이다.3 is a cross-sectional view of the coupling cross-sectional view of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전기 발생부의 일부 구성을 도시한 단면도이다.4 to 6 are cross-sectional views illustrating some components of an electricity generating unit according to still another exemplary embodiment of the present invention.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 연료 전지 시스템에 사용되는 스택의 세퍼레이터에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system. More particularly, the present invention relates to separators in stacks used in fuel cell systems.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.As is known, a fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol, and natural gas directly into electrical energy.

이 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질 등이 서로 다르다.This fuel cell is classified into a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, a polymer electrolyte type or an alkaline fuel cell according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC, hereinafter referred to as PEMFC for convenience), which has been developed recently, has excellent output characteristics, low operating temperature, and fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells. In addition to mobile power supplies such as automobiles, as well as distributed power supplies such as homes and public buildings and small power supplies such as for electronic devices has a wide range of applications.

상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다..Such a PEMFC basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to constitute a system. The stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. The reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack. Thus, the PEMFC supplies fuel in the fuel tank to the reformer by operation of the fuel pump, reforming the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacting the hydrogen gas and oxygen in the stack to generate electrical energy. Let's do it.

상기와 같은 연료 전지에 있어서, 실질적으로 전기를 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly)와 당업계에서 바이폴라 플레이트로 칭하는 세퍼레이터(Separator)로 이루어지는 단위의 셀을 수 개 내지 수십 개로 적층한 구조로 이루어진다. In the fuel cell as described above, the stack that substantially generates electricity is a stack of several to tens of cells of a unit consisting of a membrane-electrode assembly and a separator called bipolar plates in the art. Made of structure.

여기서 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리를 적층하여 스택을 구성하기 위해서는 세퍼레이트를 통해 공급되는 연료 등이 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이의 틈새를 통해 유출되는 것을 방지할 수 있도록 두 부재 사이를 실링시키게 된다.In this case, in order to form a stack by stacking the separator and the membrane-electrode assembly, the fuel and the like supplied through the separator are sealed between the two members to prevent leakage of the fuel through the gap between the separator and the membrane-electrode assembly.

종래에는 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이를 실링시키기 위하여 실런트를 이용하여 실링을 한 후 스택을 가압하였으며 이에 따라 제조과정이 복잡하고 작업성이 떨어지는 문제점이 있다.Conventionally, in order to seal between the separator and the membrane-electrode assembly, after sealing using a sealant, the stack is pressurized, and thus there is a problem in that the manufacturing process is complicated and workability is inferior.

즉, 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이를 실링시키는 실런트는 대부분 고분자 수지 및 첨가제를 포함하여 경화시간을 필요로 한다. 이로 인해 스택을 구성할 때 작업성이 떨어지며 실링제의 경화시간에 따른 시간적 낭비가 불가피한 문제점이 있다.In other words, the sealant sealing between the separator and the membrane-electrode assembly requires a curing time including most of the polymer resin and additives. As a result, when the stack is constructed, workability is deteriorated and time waste due to the curing time of the sealing agent is inevitable.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 그 목적은 별도의 접착제의 사용없이 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리의 접착이 이루어질 수 있도록 된 연료 전지용 스택 및 이를 구비한 연료 전지 시스템을 제공함에 있다.The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell stack and a fuel cell system having the same, in which a separator and a membrane-electrode assembly can be adhered to each other without using an adhesive. have.

또한, 본 발명은 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리의 접착이 용이하여 작업성을 개선할 수 있도록 된 연료 전지용 스택 및 이를 구비한 연료 전지 시스템을 제공함에 또다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a fuel cell stack and a fuel cell system having the same, wherein the separator and the membrane-electrode assembly are easily adhered to improve workability.

또한, 본 발명은 스택 제조 시간을 단축시켜 생산성을 높일 수 있도록 된 연료 전지용 스택 및 이를 구비한 연료 전지 시스템을 제공함에 또다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a fuel cell stack and a fuel cell system having the same, which can shorten the stack manufacturing time and increase productivity.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly)와, 수소 및 산소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)를 포함하며,In order to achieve the above object, a stack for a fuel cell according to the present invention includes a membrane-electrode assembly and a separator disposed closely on both sides of the membrane-electrode assembly while having a moving channel of hydrogen and oxygen. Separator),

상기 세퍼레이터는 상기 막-전극 어셈블리와의 접하는 외주부를 따라 설치되어 상기 막-전극 어셈블리에 열을 가하는 가열부를 포함할 수 있다.The separator may include a heating unit installed along an outer circumference of the membrane-electrode assembly and applying heat to the membrane-electrode assembly.

본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 각 세퍼레이터는 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되어 상기 채널에 의한 수소 통로 및 산소 통로를 형성할 수 있다.In the stack for a fuel cell according to the present invention, each separator may be in close contact with the membrane-electrode assembly to form a hydrogen passage and an oxygen passage by the channel.

또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터에 의한 적어도 1의 전기 발생부를 포함한다.In addition, the fuel cell stack according to the present invention includes at least one electricity generating unit by the membrane-electrode assembly and the separator.

여기서 상기 가열부에 의해 발생되는 열은 상기 막-전극 어셈블리를 용융시킬 수 있는 정도임이 바람직하다.The heat generated by the heating unit is preferably such that the film-electrode assembly can be melted.

이에 따라 별도의 접착제를 사용하지 않은 상태에서도 가열부에서 발생된 열에 의해 막-전극 어셈블리가 용융되어 접하고 있는 세퍼레이터에 접착될 수 있는 것이다.Accordingly, even when a separate adhesive is not used, the membrane-electrode assembly may be adhered to the separator in contact with the melted electrode by the heat generated from the heating unit.

또한, 상기 세퍼레이터는 외주부를 따라 상기 가열부가 설치될 수 있도록 홈이 연속적으로 형성될 수 있다.In addition, the separator may be continuously formed so that the heating unit is installed along the outer circumference.

또한, 상기 가열부의 설치 위치는 상기 막-전극 어셈블리의 비활성영역임이 바람직하다.In addition, the installation position of the heating unit is preferably an inactive region of the membrane-electrode assembly.

여기서 상기 가열부는 전기에 의해 가열되는 열선일 수 있다.The heating unit may be a heating wire heated by electricity.

또한, 상기 열선은 막-전극 어셈블리와 접하는 상기 세퍼레이터의 전면에 대해 외측으로 돌출될 수 있다. In addition, the hot wire may protrude outward with respect to the front surface of the separator in contact with the membrane-electrode assembly.

또한, 상기 열선은 원형 단면구조로 이루어질 수 있으며, 납작한 사각 단면 구조와 같이 그 구조에 있어서 특별히 한정되지 않는다. In addition, the hot wire may be formed in a circular cross-sectional structure, such as a flat rectangular cross-sectional structure is not particularly limited in its structure.

또한, 상기 세퍼레이터는 세퍼레이터에 형성된 홈에 열선이 삽입되고 그 외측으로 덮개가 상기 홈을 덮는 구조일 수 있다.The separator may have a structure in which a hot wire is inserted into a groove formed in the separator and a cover covers the groove to the outside thereof.

이 경우 상기 덮개는 세퍼레이터와 동일한 재질임이 바람직하다.In this case, the cover is preferably made of the same material as the separator.

또한, 상기 열선은 외주면에 피복재가 감싸여진 구조일 수 있으며, 상기 피복재는 세퍼레이터와 동일한 재질일 수 있다.In addition, the heating wire may have a structure in which a coating material is wrapped on an outer circumferential surface, and the coating material may be the same material as the separator.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 1의 전기 발생부와, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원를 포함하며,In addition, the fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, at least one of the electricity generating unit for generating electrical energy by the reaction of the fuel and oxygen, a fuel supply source for supplying fuel to the electricity generating unit; An oxygen supply source for supplying oxygen to the electricity generating unit,

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 이루어지고,The electricity generating unit includes a membrane-electrode assembly and a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly.

상기 세퍼레이터는 상기 막-전극 어셈블리와의 접하는 외주부를 따라 상기 막-전극 어셈블리에 열을 가하는 가열부가 설치될 수 있다.The separator may be provided with a heating unit for applying heat to the membrane-electrode assembly along an outer circumference of the membrane-electrode assembly.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료로서 수소 가스를 사용할 수 있으며, 액상으로 이루어진 연료를 사용할 수도 있다.In the fuel cell system according to the present invention, hydrogen gas may be used as the fuel, and a fuel composed of a liquid phase may be used.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 공기를 통해 상기 산소를 얻을 수 있는 구조로 되어 있다.Further, the fuel cell system according to the present invention has a structure in which the oxygen can be obtained through air.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.And the fuel cell system which concerns on this invention is provided with the said electric generator part in plurality, and can form the stack by the aggregate structure of these electric generator parts.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 구성될 수 있으며, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 구성될 수도 있다.The fuel cell system according to the present invention configured as described above may be configured by a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method, and configured by a direct methanol fuel cell (DMFC) method. May be

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. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the 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, 탄화 수소 계열의 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.The fuel cell system 100 according to the present invention will be described with reference to the drawings. The fuel cell system 100 reforms a hydrocarbon-based fuel 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 연료를 포함한다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료를 의미한다.In the fuel cell system 100, the fuel for generating electricity includes a fuel made in a liquid or gaseous state such as methanol, ethanol, or natural gas. However, the fuel described in this embodiment means a fuel 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.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 전술한 바 있는 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 연료 공급원(30)과, 공기를 상기 스택(10)으로 공급하는 산소 공급원(50)을 포함한다.The fuel cell system 100 according to the present invention basically includes a stack 10 for generating electrical energy through a reaction between hydrogen and oxygen, and a stack 10 for generating hydrogen gas from the fuel described above. ) And a fuel supply source 30 for supplying air) and an oxygen supply source 50 for supplying air to the stack 10.

상기에서, 스택(10)은 언급한 바와 같이 개질기(35)로부터 수소 가스를 공급받고, 산소 공급원(50)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)를 구비하고 있다. 이러한 스택(10)은 2를 참고하여 뒤에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.In the above, the stack 10 is supplied with hydrogen gas from the reformer 35 as mentioned above, and is supplied with air from the oxygen source 50 to provide electricity through oxidation / reduction reaction of the hydrogen gas and oxygen contained in the air. At least one electricity generating unit 11 for generating energy is provided. This stack 10 will be described in more detail later with reference to 2.

연료 공급원(30)은 상기한 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 이 연료 탱크(31)에 연결 설치되어 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.The fuel supply source 30 includes a fuel tank 31 for storing the above-described fuel, a fuel pump 33 connected to the fuel tank 31 to discharge the fuel, a fuel tank 33 and a stack ( And a reformer 35 disposed between 10) to receive fuel from the fuel tank 33 to generate hydrogen gas from the fuel, and to supply the hydrogen gas to the electricity generator 11.

상기 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 일산화탄소의 농도를 저감시키는 것이 바람직하다. 이러한 개질기(35)는 통상적인 PEMFC 방식의 개질기 구성으로 이루어질 수 있으므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.In the fuel source 30, the reformer 35 preferably generates hydrogen gas from the fuel through a catalytic reaction such as steam reforming, partial reforming or autothermal reaction with thermal energy. In addition, the reformer 35 may reduce the concentration of the carbon monoxide by, for example, a catalytic reaction such as a water gas conversion method, a selective oxidation method, or purification of hydrogen using a separator. Since the reformer 35 may be formed of a conventional PEMFC reformer configuration, detailed description thereof will be omitted herein.

그리고 산소 공급원(50)은 공기를 흡입하고, 이 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 공기 펌프(51)를 포함한다.The oxygen source 50 includes an air pump 51 capable of sucking air and supplying the air to the electricity generator 11.

따라서 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 연료 공급원(30)을 통해 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하고, 산소 공급원(50)을 통해 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 이 전기 발생부(11)에서는 수소 가스 중의 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지, 물 그리고 열을 발생시킨다.Therefore, upon operation of the fuel cell system 100 according to the present invention, hydrogen gas is supplied to the electricity generating unit 11 of the stack 10 through the fuel supply source 30, and air is supplied through the oxygen supply source 50. When supplied to the electricity generator 11, the electricity generator 11 generates electrical energy, water, and heat through an electrochemical reaction between hydrogen in hydrogen gas and oxygen contained in air.

대안으로서, 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, 도 1에 도시한 개질기(35)를 필요로 하지 않고, 연료 탱크(31)와 연료 펌프(33)로 구성되 는 연료 공급원(30)을 포함할 수 있다.As an alternative, the fuel cell system 100 according to the present invention is a direct methanol for supplying a liquid fuel such as methanol and ethanol directly to the electric generator 11 to generate electrical energy through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) method may be employed. Unlike the polymer electrolyte fuel cell system, the fuel cell system 100 of the direct methanol fuel cell system does not require the reformer 35 shown in FIG. 1, and the fuel tank 31 and the fuel pump 33 are not limited to the fuel cell system 100. It may include a fuel supply (30) consisting of.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)에 있어, 전술한 바 있는 스택(10)의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.In the fuel cell system 100 according to the present invention configured as described above, embodiments of the stack 10 described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 전기 발생부를 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.2 is an exploded perspective view illustrating an electricity generating unit of a stack for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지용 스택(10)은 언급한 바 있는 복수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 배치함으로써 이들 전기 발생부(11)에 의한 집합체 구조로서 이루어진다.Referring to the drawings, the fuel cell stack 10 according to the present embodiment is formed as an aggregate structure by these electricity generating units 11 by arranging the plurality of electricity generating units 11 mentioned above in succession.

이 전기 발생부(11)는 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, 15)를 밀착 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 연료 전지를 구성한다.The electricity generator 11 is a membrane electrode assembly (MEA) (hereinafter referred to as "MEA") (12) centered on both sides of the separator (Separator) (in the art 'bipolar plate) 13 and 15 are closely arranged to constitute a fuel cell of a minimum unit for generating electricity.

MEA(12)는 고분자인 네피온으로 이루어지며 소정의 면적을 가지고 산화/환원 반응이 일어나는 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 부분은 산화/환원 반응과는 무관한 비활성영역인 가스켓부(12b)가 연결 형성되는 바, 이 가스켓부(12b)는 뒤에서 설명되는 세퍼레이터의 가열부에 의해 용융되어 세퍼레이터(13, 15) 사이에서 활성 영역(12a)의 가장자리 부분을 실링하는 기능을 하게 된다.MEA (12) is made of a polymer Nephion and has an active region (12a) having a predetermined area and the oxidation / reduction reaction occurs, the anode electrode on one side of the active region 12a, the cathode electrode on the other side And an electrolyte membrane provided between the two electrodes. In addition, the edge portion of the active region 12a is connected to the gasket portion 12b, which is an inactive region which is not related to the oxidation / reduction reaction, and the gasket portion 12b is melted by the heating portion of the separator described later. As a result, the edges of the active region 12a are sealed between the separators 13 and 15.

여기서 상기 MEA(12)의 애노드 전극은 개질기(35: 도 1)로부터 공급되는 수 소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. MEA(12)의 캐소드 전극은 공기 펌프(51: 도 1)로부터 공급되는 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온을 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 MEA(12)의 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.The anode electrode of the MEA 12 serves to convert hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons by oxidizing the hydrogen gas supplied from the reformer 35 (FIG. 1). The cathode electrode of the MEA 12 has a function of reducing and reacting oxygen in the air supplied from the air pump 51 (FIG. 1) with hydrogen ions transferred from the anode electrode to generate heat and moisture at a predetermined temperature. The electrolyte membrane of the MEA 12 functions as an ion exchange to move hydrogen ions generated at the anode electrode to the cathode electrode.

한편, 본 실시예에 따르면 상기 세퍼레이터(13, 15)는 MEA(12)를 사이에 두고 이의 양면에 밀착 배치되고, 표면에는 뒤에서 더욱 설명하는 수소 및 산소 이동 채널(13c, 15c)에 의한 수소 통로(14)와 산소 통로(17)를 형성하며, 상기 각 통로(14,17)로 수소 및 산소를 공급하기 위한 수소매니폴더(16)와 산소매니폴더(19)가 관통형성된다.On the other hand, according to the present embodiment, the separators 13 and 15 are closely disposed on both surfaces thereof with the MEA 12 interposed therebetween, and the hydrogen passages by the hydrogen and oxygen transfer channels 13c and 15c described later on the surface thereof. 14 and an oxygen passage 17, and a hydrogen manifold 16 and an oxygen manifold 19 for supplying hydrogen and oxygen to the passages 14 and 17 are formed through.

여기서 상기 수소 통로(14)는 MEA(12)의 애노드 전극에 위치하여 개질기(35: 도 1)로부터 공급되는 수소 가스를 상기 애노드 전극으로 공급하는 기능을 하게 된다. 그리고 상기 산소 통로(17)는 MEA(12)의 캐소드 전극에 위치하여 공기 펌프(51: 도 1)로부터 공급되는 공기를 상기 캐소드 전극으로 공급하는 기능을 하게 된다.In this case, the hydrogen passage 14 is positioned at the anode electrode of the MEA 12 to supply hydrogen gas supplied from the reformer 35 (FIG. 1) to the anode electrode. The oxygen passage 17 is positioned at the cathode electrode of the MEA 12 to supply air supplied from the air pump 51 (FIG. 1) to the cathode electrode.

또한, 상기 각 세퍼레이터(13, 15)는 MEA의 가스켓부(12b)에 대응되는 접면 가장자리를 따라 연속적으로 채널 형태의 홈(41)이 형성되고, 상기 홈(41) 내에 전류 공급에 따라 고열을 발생시키는 열선(40)이 설치된 구조로 되어 있다.In addition, each of the separators 13 and 15 is provided with a groove 41 in the form of a channel continuously along the contact edge corresponding to the gasket portion 12b of the MEA, and heat is generated in accordance with the current supply in the groove 41. It is a structure provided with the heating wire 40 which generate | occur | produces.

본 실시예에서 상기 열선(40)은 원형 단면구조로 이루어지며 상기 홈(41)은 반원형 단면구조로 이루어져 상기 홈(41) 내에 열선(40)이 삽입되면 열선(40)은 세퍼레이터(13,15)의 전면에서 외측으로 돌출된 구조를 이루게 된다.In the present embodiment, the heating wire 40 has a circular cross-sectional structure and the groove 41 has a semi-circular cross-sectional structure. When the heating wire 40 is inserted into the groove 41, the heating wire 40 is a separator 13, 15. ) To protrude outward from the front of the.

또한, 상기 홈(41)은 세퍼레이터(13,15)의 가장자리를 따라 하나로 연속 형성되며 각 선단은 세퍼레이터(13,15)에 형성되는 수소매니폴더(16) 또는 산소매니폴더(19)로 연장되어 소수매니폴더(16) 또는 산소매니폴더(19)와 연통된다.In addition, the grooves 41 are continuously formed along the edges of the separators 13 and 15, and each end thereof extends to the hydrogen manifold 16 or the oxygen manifold 19 formed in the separators 13 and 15. It communicates with the minority manifold 16 or the oxygen manifold 19.

그리고 상기 열선(40)은 홈(41)을 따라 놓여지며 양 선단이 홈(41)과 연통된 수소매니폴더(16) 또는 산소매니폴더(19)로 연장되어 최종적으로 스택(10) 외측으로 빠져나오게 된다.The hot wire 40 is placed along the groove 41 and both ends thereof extend to the hydrogen manifold 16 or the oxygen manifold 19 communicating with the groove 41 to finally fall out of the stack 10. Come out.

이에 상기 스택(10) 외부에서 용이하게 열선(40)의 양단에 전류를 인가할 수 있게 되는 것이다.Accordingly, the current can be easily applied to both ends of the heating wire 40 from the outside of the stack 10.

본 실시예에서 상기 열선(40)의 인출위치는 수소매니폴더 또는 산소매니폴더로 설정되어 있으나 반드시 이에 한정된 것은 아니며 스택의 구조에 따라 다양하게 변형가능하다 할 것이다.In this embodiment, the withdrawal position of the heating wire 40 is set to a hydrogen manifold or an oxygen manifold, but is not necessarily limited thereto and may be variously modified according to the structure of the stack.

도 3은 MEA를 사이에 두고 MEA의 양면에 세퍼레이터를 밀착시킨 상태를 잘 예시하고 있다.3 illustrates the state in which the separator is in close contact with both sides of the MEA with the MEA interposed therebetween.

상기한 도면에 의하면, 상기 세퍼레이터(13, 15)는, MEA(12)를 중심에 두고 이의 양측에 밀착 배치되어 최소 단위의 전기 발생부(11)를 구성함에 있어, 이동 채널(13c, 15c)이 MEA(12)의 양면에 이격되고, 이동 채널(13c, 15c) 사이의 리브가 MEA(12)의 양면에 밀착되어 언급한 바 있는 수소 통로(14)와 산소 통로(17)를 형성한다.According to the above-described drawings, the separators 13 and 15 are arranged in close contact with both sides of the MEA 12 and constitute the minimum generation of the electricity generating unit 11, so that the moving channels 13c and 15c are provided. The ribs between the moving channels 13c and 15c are spaced on both sides of the MEA 12, and the ribs close to the both sides of the MEA 12 to form the hydrogen passage 14 and the oxygen passage 17 as mentioned.

이로써 개질기(35)로부터 공급되는 수소 가스와 공기 펌프(51)에 의해 공급되는 공기는 기설정된 압력하에서 수소 통로(14) 및 산소 통로(17)를 따라 흐르게 된다. As a result, the hydrogen gas supplied from the reformer 35 and the air supplied by the air pump 51 flow along the hydrogen passage 14 and the oxygen passage 17 under a predetermined pressure.

그리고 언급한 바와 같이 세퍼레이터(13,15)의 홈(41)에 삽입된 열선(40)은 세퍼레이터(13,15)의 전면에서 돌출된 상태로 MEA(12)의 가스켓부(12b)를 가압하면서 가스켓부(12b)에 밀착된다.As mentioned above, the hot wire 40 inserted into the grooves 41 of the separators 13 and 15 presses the gasket portion 12b of the MEA 12 while protruding from the front surface of the separators 13 and 15. It comes in close contact with the gasket portion 12b.

이 상태에서 열선(40)으로 전류를 인가하게 되면, 상기 열선(40)이 가열되면서 열선에서 발생되는 고열에 의해 열선이 밀착된 MEA(12)의 가스켓부(12b)가 용융되어 세퍼레이터(13,15)와 접착된다.When a current is applied to the heating wire 40 in this state, the heating wire 40 is heated while the gasket portion 12b of the MEA 12 in close contact with the heating wire is melted by the high heat generated from the heating wire, so that the separator 13, 15) is bonded.

상기 MEA(12)의 가스켓부(12b)는 그 재질이 열이 가해지면 용융되는 고분자로 이루어져 상기와 같이 열선(40)에 의해 가해진 고열에 의해 세퍼레이터(13,15)에 용융 부착될 수 있는 것이다.The gasket portion 12b of the MEA 12 is made of a polymer which is melted when the material is applied to the separator so that the gasket portion 12b may be melt-attached to the separators 13 and 15 by the high heat applied by the heating wire 40 as described above. .

여기서 상기 세퍼레이터는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 세퍼레이터(13,15)에 형성되는 홈(41)이 열선(40)의 직경과 대응되는 깊이로 형성되어 상기 열선(40)이 세퍼레이터 외측으로 돌출되지 않는 구조일 수 있다.Here, as shown in FIG. 4, the grooves 41 formed in the separators 13 and 15 are formed to have a depth corresponding to the diameter of the heating wire 40 so that the heating wire 40 does not protrude out of the separator. It may not be a structure.

한편, 도 5 및 도 6은 본 세퍼레이터의 다른 실시예들을 도시하고 있다.5 and 6 show other embodiments of the present separator.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 세퍼레이터(13,15)는 가장자리를 따라 홈(41)이 형성되고 상기 홈(41)에 삽입되는 열선(40)은 외주면에 상기 세퍼레이터(13,15)와 동일한 재질로 된 피복층(42)이 입혀진 구조로 되어 있다.That is, as shown in FIG. 5, the separators 13 and 15 have grooves 41 formed along edges thereof, and the heating wire 40 inserted into the grooves 41 has the separators 13 and 15 formed on an outer circumferential surface thereof. The coating layer 42 made of the same material is coated.

이에 따라 본 세퍼레이터(13,15)는 홈(41)에 피복층(42)이 입혀진 열선(40) 이 삽입설치되어 열선(40)이 외부로 노출되지 않는 구조를 이룬다.Accordingly, the separators 13 and 15 have a structure in which the heating wire 40 having the coating layer 42 coated thereon is inserted into the groove 41 so that the heating wire 40 is not exposed to the outside.

그리고 도 6의 실시예에 따른 세퍼레이터(13,15)는 가장자리를 따라 사각형태의 홈(41)이 형성되고 이 홈(41) 내에 사각단면형태의 열선(40)이 삽입되며, 그 외측으로 상기 홈(41)을 덮는 덮판(43)이 설치되어 열선(40)이 외부로 노출되지 않는 구조로 되어 있다.In the separators 13 and 15 according to the embodiment of FIG. 6, a rectangular groove 41 is formed along an edge thereof, and a hot wire 40 having a rectangular cross-sectional shape is inserted into the groove 41, and the outer side of the separator 13 and 15 is inserted into the separator 41. The cover plate 43 covering the groove 41 is provided so that the heating wire 40 is not exposed to the outside.

여기서 상기 덮판(43)의 외측면은 세퍼레이터(13,15)의 외측면과 대응되는 높이를 이루어 세퍼레이터(13,15)와 덮판(43)의 외측면이 동일평면상에 놓여질 수 있도록 되어 있고, 상기 덮판(43)의 재질은 세퍼레이터(13,15)와 동일한 재질로 이루어진다.Here, the outer surface of the cover plate 43 has a height corresponding to the outer surface of the separator (13, 15) so that the outer surface of the separator (13, 15) and the cover plate 43 can be placed on the same plane, The cover plate 43 is made of the same material as the separators 13 and 15.

상기와 같은 구조는 열선(40)과 세퍼레이터(13,15)에 밀착되는 MEA(12) 사이에 세퍼레이터(13,15)와 동일한 재질의 피복층(42) 또는 덮판(43)이 위치하게 되어 MEA(12)의 가스켓부(12b)가 실질적으로 열선(40)과 접촉되는 것을 방지하게 되고 가스켓부(12b)는 오직 세퍼레이터(13,15)나 세퍼레이터(13,15)와 동일재질로 된 피복층(42) 또는 덮판(43)에만 접하게 된다.In the structure described above, the coating layer 42 or the cover plate 43 made of the same material as the separators 13 and 15 is positioned between the hot wire 40 and the MEA 12 in close contact with the separators 13 and 15. The gasket portion 12b of 12 is substantially prevented from coming into contact with the heating wire 40, and the gasket portion 12b has only a coating layer 42 made of the same material as the separators 13 and 15 or the separators 13 and 15. ) Or only the cover plate 43.

이에 따라 열선(40)으로 전류가 인가되어 열선(40)이 가열되게 되면 열선(40)에서 발생된 고열은 피복층(42) 또는 덮판(43)을 통해 MEA(12)로 전달되어 MEA(12)의 가스켓부(12b)를 용융시키게 되고, 용융된 가스켓부(12b)는 홈(41)이 형성된 위치에서도 열선(40)이 아닌 세퍼레이터(13,15)와 동일한 재질인 피복층(42)과 덮판(43)에 부착됨으로서 부착성을 높일 수 있게 된다.Accordingly, when a current is applied to the heating wire 40 so that the heating wire 40 is heated, the high heat generated by the heating wire 40 is transferred to the MEA 12 through the coating layer 42 or the cover plate 43 to the MEA 12. The gasket portion 12b is melted, and the molten gasket portion 12b is formed of the coating layer 42 and the cover plate made of the same material as the separators 13 and 15, not the heating wire 40, even at the position where the grooves 41 are formed. 43), it is possible to increase the adhesion.

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.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 열에 의해 MEA를 세퍼레이터에 용융 부착시킴으로서 별도의 실링제 사용에 따른 비용상승을 줄일 수 있게 된다.According to the present invention as described above, by melting and attaching the MEA to the separator by heat, it is possible to reduce the cost increase due to the use of a separate sealing agent.

또한, 세퍼레이터와 MEA의 접착이 용이하여 작업성을 높일 수 있게 된다.In addition, the adhesion between the separator and the MEA is easy, thereby improving workability.

또한, MEA와 세퍼레이터 간의 접착 공정과 접착 시간을 단축하여 스택의 제조시간을 줄일 수 있고 이에 따라 생산성을 높일 수 있게 된다.In addition, by shortening the adhesion process and the adhesion time between the MEA and the separator can reduce the manufacturing time of the stack, thereby increasing the productivity.

Claims (19)

삭제delete 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly);Membrane-electrode assembly; 수소 및 산소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator);A separator disposed in close contact with both surfaces of the membrane-electrode assembly while having a moving channel of hydrogen and oxygen; 상기 막-전극 어셈블리와의 접하는 상기 세퍼레이터의 외주부를 따라 설치되어 상기 막-전극 어셈블리에 열을 가하는 가열부;A heating unit installed along an outer circumference of the separator in contact with the membrane-electrode assembly to apply heat to the membrane-electrode assembly; 를 포함하고,Including, 상기 가열부는 전기에 의해 가열되는 열선을 포함하고, 상기 세퍼레이터에는 상기 열선이 삽입되는 홈이 연속적으로 형성되고,The heating unit includes a heating wire heated by electricity, the separator is continuously formed with a groove into which the heating wire is inserted, 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리에는 가스켓부가 위치하고, 상기 가스켓부가 용융되어 상기 세퍼레이터와 접착된 연료 전지용 스택.And a gasket portion located at an edge of the membrane electrode assembly, wherein the gasket portion is melted and adhered to the separator. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 1의 전기 발생부;At least one electricity generating portion for generating electrical energy by reaction of fuel and oxygen; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및A fuel supply source for supplying fuel to the electricity generator; And 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원를 포함하며,An oxygen supply source for supplying oxygen to the electricity generating unit, 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 이루어지고,The electricity generating unit includes a membrane-electrode assembly and a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly. 상기 세퍼레이터는 상기 막-전극 어셈블리와의 접하는 외주부를 따라 상기 막-전극 어셈블리에 열을 가하는 가열부가 설치되며,The separator is provided with a heating unit for applying heat to the membrane-electrode assembly along the outer circumferential portion in contact with the membrane-electrode assembly, 상기 가열부는 전기에 의해 가열되는 열선을 포함하고, 상기 세퍼레이터에는 상기 열선이 삽입되는 홈이 연속적으로 형성되고,The heating unit includes a heating wire heated by electricity, the separator is continuously formed with a groove into which the heating wire is inserted, 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리에는 가스켓부가 위치하고, 상기 가스켓부가 용융되어 상기 세퍼레이터와 접착된 연료 전지 시스템.And a gasket portion located at an edge of the membrane electrode assembly, wherein the gasket portion is melted and adhered to the separator. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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