KR101065380B1

KR101065380B1 - Fuel cell system and stack used thereto

Info

Publication number: KR101065380B1
Application number: KR1020040047552A
Authority: KR
Inventors: 은영찬; 김형준; 안성진; 조성용; 윤해권; 김잔디
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2011-09-16
Also published as: KR20050122449A

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 함유한 연료를 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 산소를 전기 발생부로 공급하는 산소 공급부를 포함하며, 상기 전기 발생부는, 전극-전해질 합성체(MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터로 이루어지고, 상기 전극-전해질 합성체와 양 세퍼레이터 사이의 가장자리 부분에 개재되는 가스켓을 구비하며, 상기 가스켓은, 상기 세퍼레이터의 밀착에 의하여 탄성 변형되면서 상기 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터 사이의 기밀을 유지시키는 실링부를 포함한다.Fuel cell system according to the present invention, at least one electricity generating unit for generating electrical energy through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen to the electricity generation unit; And an oxygen supply unit for supplying oxygen to the electricity generation unit, wherein the electricity generation unit includes an electrode-electrolyte composite (MEA) and separators disposed on both sides of the electrode-electrolyte composite, and the electrode-electrolyte composite. And a gasket interposed at an edge portion between the both separators, wherein the gasket includes a sealing portion that maintains the airtight between the electrode-electrolyte composite and the separator while being elastically deformed by the adhesion of the separator.

연료전지, 스택, 전기발생부, 연료공급부, 산소공급부, 세퍼레이터, MEA, 가스켓, 실링부, 실링돌기, 기밀, 실링, 누설, 가압력Fuel Cell, Stack, Electricity Generator, Fuel Supply, Oxygen Supply, Separator, MEA, Gasket, Sealing, Sealing, Airtight, Sealing, Leakage, Pressurization

Description

FUEL CELL SYSTEM AND STACK USED THERETO}

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 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing the structure of the stack shown in FIG.

도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.3 is a cross-sectional view of the coupling cross-sectional view of FIG.

도 4는 도 2에 도시한 전극-전해질 합성체와 가스켓 부위를 나타내 보인 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional view showing the electrode-electrolyte composite and the gasket portion shown in FIG.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터의 실링 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system having an improved sealing structure of an electrode-electrolyte composite and a separator.

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 연 료로 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 fuel, and has a wide range of applications such as mobile power supplies such as automobiles, distributed power supplies such as houses and public buildings, and small power supplies such as electronic devices. Have

상기 연료 전지는 수소와 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 전극-전해질 합성체의 양면에 밀착되어 전극-전해질 합성체로 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 an electrode-electrolyte assembly (MEA) that generates electricity through an oxidation / reduction reaction of hydrogen and oxygen, and the electrode-electrolyte composite is in close contact with both sides of the electrode-electrolyte composite to form hydrogen and oxygen. A cell of a unit is formed by a separator (also referred to as a bipolar plate) for supplying a plurality of cells, and a plurality of cells of such a unit are stacked to form a stack.

이러한 연료 전지에 있어 전극-전해질 합성체와 양 세퍼레이터 사이의 가장자리 부분에는 전극-전해질 합성체와 양 세퍼레이터 사이의 기밀을 유지시키는 가스켓을 구비하고 있다. 이 가스켓은 스택의 체결시 양 세퍼레이터에 의해 밀착되어 세퍼레이터를 통해 전극-전해질 합성체로 공급되는 수소와 산소가 누출되거나 서로 섞이게 되는 것을 방지한다.In such a fuel cell, a gasket for maintaining the airtight between the electrode-electrolyte composite and both separators is provided at the edge portion between the electrode-electrolyte composite and both separators. The gasket is tightly held by both separators when the stack is fastened to prevent leakage and mixing of hydrogen and oxygen supplied to the electrode-electrolyte composite through the separator.

그런데, 종래의 연료 전지는 상기한 가스켓이 평평한 단면 형상을 가지면서 전극-전해질 합성체의 가장자리 부분에 연결되는 바, 스택의 체결시 세퍼레이터에 가해지는 가압력의 차이에 의하여 가스켓과 세퍼레이터 사이에 틈새가 발생된다. 이로써 상기 틈새에 의하여 전극-전해질 합성체와 양 세퍼레이터 간의 기밀이 파괴됨에 따라 이 세퍼레이터를 통과하는 수소와 산소의 누설이 발생된다. 따라서 스택의 정상적인 전기 출력이 어렵게 되고, 세퍼레이터를 통과하는 수소와 산소의 압력 저감으로 인해 연료 전지 성능이 저하됨은 물론, 수소와 산소의 누설로 인한 안전 사고를 초래할 우려가 있다.However, in the conventional fuel cell, the gasket has a flat cross-sectional shape and is connected to the edge portion of the electrode-electrolyte composite. The gap between the gasket and the separator is caused by the difference in the pressing force applied to the separator when the stack is fastened. Is generated. As a result, the air gap between the electrode-electrolyte composite and both separators is destroyed by the gap, thereby causing the leakage of hydrogen and oxygen passing through the separator. Therefore, the normal electrical output of the stack becomes difficult, and the pressure reduction of hydrogen and oxygen passing through the separator may reduce fuel cell performance and may cause safety accidents due to leakage of hydrogen and oxygen.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터의 실링 구조를 개선하여 스택의 조립시 세퍼레이터에 가해지는 가압력의 차이에 의하여 가스켓과 세퍼레이터 사이에 틈새가 발생되지 않도록 하는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to improve the sealing structure of the electrode-electrolyte composite and the separator so that a gap is not generated between the gasket and the separator due to the difference in the pressing force applied to the separator during assembly of the stack. To provide a fuel cell system.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 함유한 연료를 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 산소를 전기 발생부로 공급하는 산소 공급부를 포함하며,In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes at least one electricity generating unit for generating electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen; A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen to the electricity generation unit; And an oxygen supply unit supplying oxygen to the electricity generation unit,

상기 전기 발생부는, 전극-전해질 합성체(MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터로 이루어지고, 상기 전극-전해질 합성체와 양 세퍼레이터 사이의 가장자리 부분에 개재되는 가스켓을 구비하며,The electricity generating unit includes an electrode-electrolyte composite (MEA) and separators disposed on both sides of the electrode-electrolyte composite, and includes a gasket interposed at an edge portion between the electrode-electrolyte composite and both separators. ,

상기 가스켓은, 상기 세퍼레이터의 밀착에 의하여 탄성 변형되면서 상기 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터 사이의 기밀을 유지시키는 실링부를 포함한다.The gasket may include a sealing part that maintains airtightness between the electrode-electrolyte composite and the separator while being elastically deformed by the adhesion of the separator.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 실링부는 가스켓의 양면에 대하여 전극-전해질 합성체를 중심으로 그 외측 가장자리를 따라 형성되는 적어도 하나의 실링 돌기를 구비할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the sealing portion may include at least one sealing protrusion formed along an outer edge of the electrode-electrolyte composite with respect to both surfaces of the gasket.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 실링 돌기는 가스켓의 양면에 일체로 돌출 형성되며, 그 단면 형상이 라운드형으로 이루어진다. 이 경 우 상기 실링 돌기는 그 두께를 가스켓 두께의 1/2 이하로 형성하는 것이 바람직하다.In addition, in the fuel cell system according to the present invention, the sealing projection is formed integrally protruding on both sides of the gasket, the cross-sectional shape is made round. In this case, it is preferable that the sealing protrusion is formed to be 1/2 or less of the thickness of the gasket.

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

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부는: 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크; 및 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하며, 상기 산소 공급부는 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply unit comprises: a fuel tank for storing fuel containing hydrogen; And a fuel pump connected to the fuel tank, wherein the oxygen supply unit may include an air pump that sucks air.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부는, 상기 전기 발생부와 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함할 수도 있다. 이러한 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어진다.In the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply unit is connected to the electricity generation unit and the fuel tank to receive 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. In this case, the fuel cell system according to the present invention is made of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method.

대안으로 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어질 수도 있다.Alternatively, the fuel cell system according to the present invention may be made of a direct methanol fuel cell (DMFC) method.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택은, 전극-전해질 합성체(MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터로 이루어진 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하고,In addition, the stack used in the fuel cell system according to the present invention to achieve the above object, at least one electricity generation consisting of an electrode-electrolyte composite (MEA) and a separator disposed on both sides of the electrode-electrolyte composite Including wealth,

상기 전기 발생부는 상기 전극-전해질 합성체와 양 세퍼레이터 사이의 가장 자리 부분에 개재되는 가스켓을 구비하며,The electricity generating unit includes a gasket interposed between an edge portion between the electrode-electrolyte composite and both separators,

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, 상기 실링부는 가스켓의 양면에 대하여 전극-전해질 합성체를 중심으로 그 외측 가장자리를 따라 형성되는 적어도 하나의 실링 돌기를 구비할 수 있다.In the stack used in the fuel cell system according to the present invention, the sealing portion may include at least one sealing protrusion formed along an outer edge of the electrode-electrolyte composite with respect to both sides of the gasket.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, 상기 실링 돌기는 가스켓의 양면에 일체로 돌출 형성되며, 그 단면 형상이 라운드형으로 이루어진다. 이 경우 상기 실링 돌기는 그 두께를 가스켓 두께의 1/2 이하로 형성하는 것이 바람직하다.In addition, in the stack used in the fuel cell system according to the present invention, the sealing protrusion is integrally formed on both sides of the gasket, the cross-sectional shape is made round. In this case, it is preferable that the sealing protrusion is formed to be 1/2 or less of the thickness of the gasket.

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 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이고, 도 4는 도 2에 도시한 전기 발생부의 전극-전해질 합성체와 가스켓 부위를 나타내 보인 단면 구성도이다.1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is an exploded perspective view showing the structure of the stack shown in Figure 1, Figure 3 is a combined cross-sectional configuration of Figure 2 4 is a cross-sectional configuration diagram showing an electrode-electrolyte composite and a gasket portion of the electricity generating unit shown in FIG. 2.

도면을 참고하면, 본 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스와 산소를 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분 자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.Referring to the drawings, the system 100 is a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) to generate a hydrogen gas by reforming a hydrogen-containing fuel to react with the hydrogen gas and oxygen; PEMFC) method can be adopted.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 협의(狹義)의 연료 이 외에, 광의(廣義)의 연료로서 물 및 산소가 더욱 포함된다.In the fuel cell system 100 according to the present invention, the fuel for generating electricity is a broad fuel other than a narrow fuel containing hydrogen such as methanol, ethanol or natural gas. And oxygen further.

그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소 연료로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 상기한 산소 연료로서 공기를 사용하는 후자의 예를 설명한다.In addition, the system 100 may use pure oxygen gas stored in a separate storage means as oxygen fuel reacting with hydrogen contained in the fuel, and may use air containing oxygen as it is. However, the latter example of using air as the oxygen fuel described above will be described below.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(111)와, 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(111)로 공급하는 연료 공급부(120)와, 공기를 전기 발생부(111)로 공급하는 산소 공급부(130)를 포함한다.The fuel cell system 100 according to the present invention basically generates at least one electricity generating unit 111 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and generates hydrogen gas from a fuel containing hydrogen. And a fuel supply unit 120 for supplying the hydrogen gas to the electricity generation unit 111, and an oxygen supply unit 130 for supplying air to the electricity generation unit 111.

상기 전기 발생부(111)는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)( 이하, 'MEA"라고 한다.)(112)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(Separator)('바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(116)를 배치하여 단일 스택을 형성하며, 상기 전기 발생부(111)가 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(110)을 형성한다.The electricity generating unit 111 has an electrode-electrolyte assembly (MEA) (hereinafter referred to as 'MEA') 112 and a separator ('bipolar plate') on both sides thereof. 116 is disposed to form a single stack, and a plurality of electrical generators 111 are provided to form a stack 110 having a stacked structure as in the present embodiment.

이와 같이 양측 세퍼레이터(116) 사이에 개재되는 MEA(112)는 이의 양면에 애노드 전극과 캐소드 전극(도시하지 않음)이 위치하고, 상기 두 전극 사이에 전해질막(도시하지 않음)을 구비하는 구조로 이루어져 있다.As described above, the MEA 112 interposed between the two separators 116 includes an anode electrode and a cathode electrode (not shown) disposed on both surfaces thereof, and an electrolyte membrane (not shown) disposed between the two electrodes. have.

세퍼레이터(116)는 MEA(112)를 사이에 두고 밀착 배치되어, MEA(112)의 양측에 각각 수소통로(116a)와 공기통로(116b)를 형성한다. 여기서 수소통로(116a)는 MEA(112)의 애노드 전극 측에 위치하고, 공기통로(116b)는 MEA(112)의 캐소드 전극 측에 위치한다. 이러한 세퍼레이터(116)는 MEA(112)의 양측에 수소 가스와 산소를 공급하는 기능 외에, 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 가진다.The separator 116 is closely arranged with the MEA 112 interposed therebetween, and forms the hydrogen passage 116a and the air passage 116b on both sides of the MEA 112, respectively. The hydrogen passage 116a is located on the anode electrode side of the MEA 112, and the air passage 116b is located on the cathode electrode side of the MEA 112. The separator 116 has a function of a conductor that connects an anode electrode and a cathode electrode in series in addition to supplying hydrogen gas and oxygen to both sides of the MEA 112.

상기에서 스택(110)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 발생부(111)를 밀착시키고, 전기 발생부(111)들을 체결시키는 별도의 가압 플레이트(113)를 설치할 수도 있다. 대안으로서, 본 발명에 의한 스택(110)은 상기한 가압 플레이트(113)를 배제하고, 전기 발생부(111)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(116)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수도 있다. 또한 가압 플레이트(113)가 복수의 전기 발생부(111)를 밀착시키는 기능 외에, 세퍼레이터(116)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다. 그러나 이하에서는 상기 가압 플레이트(113)가 복수의 전기 발생부(111)를 밀착시키고 이 전기 발생부(111)들을 체결시키는 예를 설명한다.In the outermost of the stack 110, the plurality of electricity generating units 111 may be in close contact with each other, and a separate pressing plate 113 may be installed to fasten the electricity generating units 111. As an alternative, the stack 110 according to the present invention excludes the pressure plate 113 and may be configured such that the separator 116 located at the outermost portion of the electricity generating unit 111 takes the role of the pressure plate. It may be. Further, the pressure plate 113 may be configured to have a function unique to the separator 116 in addition to the function of bringing the plurality of electricity generating units 111 into close contact with each other. However, hereinafter, an example in which the pressing plate 113 closely contacts the plurality of electricity generating units 111 and fastens the electricity generating units 111 will be described.

그리고 MEA(112)와 세퍼레이터(116) 사이의 가장자리 부분에는 MEA(112)와 양 세퍼레이터(116) 사이의 기밀을 유지시키는 가스켓(119)이 개재된다. 상기 가스켓(119)은 세퍼레이터(116)의 통로(116a, 116b)를 통해 MEA(112)로 공급되는 수소 가스와 공기가 외부로 누출되거나 서로 섞이는 것을 방지하기 위한 것이다. 이러한 가스켓(119)은 탄성 재료인 고무 소재 예컨대, 실리콘계, 불소계 또는 올레핀계 고무 소재로 이루어지고, MEA(112)의 가장자리 부분과 연결되도록 구성된다. 따라서 복수의 전기 발생부(111)를 가압 플레이트(113)를 통해 밀착시켜 스택(110)을 형성하는 과정에서, 가스켓(119)의 표면이 압축력을 받게 되면 탄성영역 내에서 적절히 수축하여 세퍼레이터(116)와 MEA(112) 사이의 가스 밀봉에 필요한 면압을 유지함으로써 스택(110)의 운전 중 가스 누설을 예방한다.A gasket 119 is provided at the edge portion between the MEA 112 and the separator 116 to maintain the airtight between the MEA 112 and the both separators 116. The gasket 119 is to prevent leakage of hydrogen gas and air supplied to the MEA 112 through the passages 116a and 116b of the separator 116 to the outside or to be mixed with each other. The gasket 119 is made of an elastic material rubber material such as silicone, fluorine or olefin rubber material, and is configured to be connected to the edge portion of the MEA 112. Therefore, in the process of forming the stack 110 by bringing the plurality of electricity generating parts 111 into close contact with each other through the pressure plate 113, when the surface of the gasket 119 receives a compressive force, the separator 116 is appropriately contracted in the elastic region so as to separate the separator 116. Gas pressure between the stack 110 and the MEA 112 is maintained to prevent gas leakage during operation of the stack 110.

상기 연료 공급부(120)는 전술한 바 있는 협의의 연료를 저장하는 연료 탱크(121)와, 이 연료 탱크(121)에 연결 설치되는 연료 펌프(122)와, 연료 탱크(121)와 연결 설치되어 상기 협의의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(111)로 공급하는 개질기(123)를 포함한다. 그리고 산소 공급부(130)는 공기를 흡입하여 전기 발생부(111)로 공급하는 공기 펌프(131)를 포함하고 있다.The fuel supply unit 120 is connected to the fuel tank 121, the fuel pump 122 is connected to the fuel tank 121, and the fuel tank 121 is installed to store the fuel of the narrow bar as described above It includes a reformer 123 for generating hydrogen gas from the fuel of the consultation and supplying the hydrogen gas to the electricity generating unit 111. The oxygen supply unit 130 includes an air pump 131 that sucks air and supplies the air to the electricity generating unit 111.

상기 연료 공급부(120)에 있어 개질기(123)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 협의의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기의 구조를 갖는다. 부연 설명하면, 개질기(123)는 일 례로서, 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 개질기(123)는 일 례로서, 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 수소 가스에 함유된 일산화탄소 의 농도를 저감시킨다.In the fuel supply unit 120, the reformer 123 generates a hydrogen gas from the narrow fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy and reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas. Has In detail, the reformer 123 generates hydrogen gas from the above-described fuel through a catalytic reaction such as steam reforming, partial oxidation, or autothermal reaction. As an example, the reformer 123 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 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기 협의의 연료를 직접 전기 발생부(111)로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 전술한 바 있는 개질기(123)를 필요로 하지 않는다.As an alternative, the fuel cell system 100 according to the present invention uses a direct methanol fuel cell (DMFC) method capable of producing electricity by supplying the fuel of the consultation directly to the electricity generating unit 111. It is also possible to employ. Such a direct methanol fuel cell fuel cell, unlike the polymer electrolyte fuel cell, does not require the reformer 123 described above.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 가압 플레이트(113)를 통해 복수의 전기 발생부(111)를 밀착시킴과 동시에 이들을 체결하여 스택(110)을 형성하게 된다. 따라서 연료 공급부(120)의 개질기(123)를 통해 발생되는 수소 가스와, 공기 펌프(131)에 의해 흡입되는 공기를 스택(110)의 전기 발생부(111)로 공급하게 되면, 전기 발생부(111)에서는 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기와 물 그리고 열을 발생시킨다.The fuel cell system 100 according to the present invention configured as described above is in close contact with the plurality of electricity generating units 111 through the pressing plate 113 and at the same time to form a stack 110. Therefore, when the hydrogen gas generated through the reformer 123 of the fuel supply unit 120 and the air sucked by the air pump 131 are supplied to the electricity generating unit 111 of the stack 110, the electricity generating unit ( 111) generates electricity, water and heat through the electrochemical reaction of the hydrogen gas and oxygen contained in the air.

이러한 연료 전지 시스템(100)에, 본 발명에 따른 실링부(118)가 제공되는 바, 이 실링부(118)는 상기 스택(110)의 체결시, MEA(112)를 중심에 두고 양 세퍼레이터(116)를 서로 밀착시킬 때, 세퍼레이터(116)의 가압력 차이에 의해 발생될 수 있는 가스켓(119)과 세퍼레이터(116) 사이의 틈새를 실질적으로 실링하는 실링수단으로서의 기능을 하게 된다. 즉, 상기한 실링부(118)는 양 세퍼레이터(116)에 가해지는 가압력을 가스켓(119)의 평면에 대해 균일하게 분포시킬 수 있는 기능을 하게 된다.In the fuel cell system 100, a sealing part 118 according to the present invention is provided, and the sealing part 118 has both separators centered on the MEA 112 when the stack 110 is fastened. When the 116 is in close contact with each other, the 116 functions as a sealing means for substantially sealing a gap between the gasket 119 and the separator 116, which may be generated by the difference in the pressing force of the separator 116. That is, the sealing part 118 serves to uniformly distribute the pressing force applied to both separators 116 with respect to the plane of the gasket 119.

본 발명에 있어 상기 실링부(118)는 MEA(112)의 가장자리 부분에 연결되는 가스켓(119)의 양면에 형성되며, MEA(112)를 중심으로 이의 가장자리 방향을 따라 형성되는 실링 돌기(117)를 구비한다. 이러한 실링 돌기(117)는 도면에서 MEA(112) 전체를 둘러싸는 사각 링 형태의 단일 돌기 형상으로 이루어지나, 본 발명에서는 이에 국한되지 않고 이의 외측에 부가적으로 형성되어 둘 이상으로 구비될 수도 있다.In the present invention, the sealing part 118 is formed on both sides of the gasket 119 connected to the edge portion of the MEA 112, and the sealing protrusion 117 is formed along the edge direction of the MEA (112). It is provided. The sealing protrusion 117 is formed in the shape of a single protrusion having a rectangular ring shape surrounding the entire MEA 112 in the drawing, but the present invention is not limited thereto, and may be additionally formed at an outer side of the sealing protrusion 117. .

구체적으로, 상기 실링 돌기(117)는 가스켓(119)의 양면에 일체로 돌출 형성되며, 그 단면 형상이 라운드형으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 같이 실링 돌기(117)의 단면 형상을 라운드형으로 형성하는 이유는 양 세퍼레이터(116)의 밀착시 이 실링 돌기(117)가 가스켓(119)의 평면 방향으로 탄성 변형되면서 MEA(112)와 세퍼레이터(116)의 평면적인 접촉을 가능하게 하기 위함이다. 즉, 양 세퍼레이터(116)의 밀착시 실링 돌기(117)의 돌기면이 탄력적으로 변형되면서 가스켓(119)의 평면과 실질적으로 동일한 높이를 갖도록 하기 위함이다.Specifically, the sealing protrusion 117 is formed integrally projecting on both sides of the gasket 119, the cross-sectional shape is preferably made of a round shape. The reason why the cross-sectional shape of the sealing protrusion 117 is formed in a round shape is that the sealing protrusion 117 elastically deforms in the planar direction of the gasket 119 when the two separators 116 are in close contact with each other. To enable planar contact of 116. That is, the protrusion surface of the sealing protrusion 117 is elastically deformed when the two separators 116 are in close contact with each other so as to have substantially the same height as the plane of the gasket 119.

그리고 상기한 실링 돌기(117)는 그 두께를 가스켓(119) 단면 두께의 1/2 이하가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 상기 실링 돌기(117)의 두께를 가스켓(119) 단면 두께의 1/2 보다 두껍게 형성하게 되면, 이 실링 돌기(117)가 양 세퍼레이터(116)에 눌려 탄성 변형되더라도 그 두께에 의해 가스켓(119)의 평면에 대한 높이 차를 야기시켜 세퍼레이터(116)의 통로(116a, 116b)를 통한 수소 가스와 공기의 원활한 흐름이 이루어지지 않게 된다. 그리고 실링 돌기(117)의 두께를 가스켓(119) 단면 두께의 1/2 보다 얇게 형성하게 되면, 세퍼레이터(116)에 가해지는 가압력의 차이에 의해 가스켓(119)과 세퍼레이터(116) 사이에 틈새가 발생될 염려 가 있다.In addition, the sealing protrusion 117 is preferably formed so that the thickness thereof is 1/2 or less of the thickness of the cross section of the gasket 119. When the thickness of the sealing protrusion 117 is formed to be thicker than 1/2 of the thickness of the gasket 119, even if the sealing protrusion 117 is pressed by both separators 116 and elastically deformed, the gasket 119 is formed by the thickness thereof. This causes a height difference with respect to the plane of H 2 and prevents smooth flow of hydrogen gas and air through the passages 116a and 116b of the separator 116. When the thickness of the sealing protrusion 117 is formed to be thinner than 1/2 of the thickness of the gasket 119, a gap is formed between the gasket 119 and the separator 116 due to the difference in the pressing force applied to the separator 116. There is a risk of occurrence.

대안으로서, 본 실시예에 의한 상기 실링 돌기(117)의 단면 형상은 라운드형으로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 이 외의 형상 예컨대, 삼각형, 사각형 등의 다양한 변형이 가능하다.As an alternative, the cross-sectional shape of the sealing protrusion 117 according to the present embodiment is not limited to being round, and various modifications such as other shapes such as triangles and squares are possible.

이에 상기와 같이 구성되는 본 발명의 연료 전지 시스템(100)에서는 MEA(112)와 양 세퍼레이터(116) 사이의 가장자리 부분에 개재되는 가스켓(119)의 양면에 실링 돌기(117)를 구비함에 따라, 복수의 전기 발생부(111) 밀착시 양 세퍼레이터(116)의 가압력에 의해 상기 실링 돌기(117)가 도 3 및 도 4에 가상선으로 도시한 바와 같이 탄력적으로 변형되면서 세퍼레이터(116)의 밀착면에 밀착되게 되므로, 양 세퍼레이터(116)에 가해지는 가압력을 가스켓(119)의 표면에 대해 균일하게 분산시킬 수 있다.In the fuel cell system 100 according to the present invention configured as described above, the sealing protrusions 117 are provided on both surfaces of the gasket 119 interposed between the MEA 112 and the separator 116. When the sealing generator 117 is elastically deformed as shown by the virtual lines in FIGS. 3 and 4 by the pressing force of both separators 116 when the plurality of electricity generating units 111 are in close contact with each other, the close contact surface of the separator 116 is provided. Since it is in close contact with each other, the pressing force applied to both separators 116 can be uniformly dispersed with respect to the surface of the gasket 119.

따라서 본 발명의 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 세퍼레이터(116)에 가해지는 가압력이 균일하지 않더라도 실링 돌기(117)가 세퍼레이터(116)의 밀착면에 대해 탄력적으로 밀착되기 때문에, 상기한 가압력의 불균일에 의해 가스켓(119)과 세퍼레이터(116) 사이에 틈새가 발생되지 않게 되어 MEA(112)와 양 세퍼레이터(116) 간의 기밀 유지를 향상시킬 수 있다.Therefore, according to the fuel cell system 100 of the present invention, even if the pressing force applied to the separator 116 is not uniform, since the sealing protrusion 117 is elastically in close contact with the contact surface of the separator 116, Non-uniformity prevents a gap between the gasket 119 and the separator 116, so that the airtight retention between the MEA 112 and the separators 116 can be improved.

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.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 스택 체결시 가스켓 표면으로 세퍼레이터의 가압력을 균일하게 분산시킬 수 있는 실링부를 구비하는 바, 종래와 달리 가스켓과 세퍼레이트 사이에 틈새를 형성하지 않게 된다. 따라서 가스켓과 세퍼레이트 사이로 수소 가스와 산소가 누설되는 것을 방지할 수 있다.According to the fuel cell system according to the present invention, when the stack is fastened, a sealing part capable of uniformly dispersing the pressing force of the separator on the surface of the gasket does not form a gap between the gasket and the separator unlike the conventional art. Therefore, leakage of hydrogen gas and oxygen between the gasket and the separator can be prevented.

이로써 본 발명에 의한 연료 전지 시스템은, 스택의 고유한 성능 조건에 맞는 전기 출력이 가능해지고, 전극-전해질 합성체로 공급되는 수소 가스와 산소의 압력 저하를 방지하여 연료 전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 수소 가스와 산소의 누설로 인한 안전 사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.As a result, the fuel cell system according to the present invention enables electric power to meet the inherent performance conditions of the stack, and further improves the performance of the fuel cell by preventing pressure drop between hydrogen gas and oxygen supplied to the electrode-electrolyte composite. It has an effect. In addition, there is an effect that can prevent in advance the safety accidents caused by the leakage of hydrogen gas and oxygen.

Claims

At least one electricity generating unit generating electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen;

A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen to the electricity generation unit; And

An oxygen supply unit for supplying oxygen to the electricity generating unit,

The electricity generating unit includes an electrode-electrolyte composite (MEA) and separators disposed on both sides of the electrode-electrolyte composite, and is connected to an edge portion of the electrode-electrolyte composite, and is connected to an edge portion between both separators. With an intervening gasket,

The gasket may include a sealing part that maintains airtightness between the electrode-electrolyte composite and the separator while being elastically deformed by the adhesion of the separator.

The sealing unit has at least one sealing protrusion formed on both sides of the gasket and formed along an outer edge of the gasket about the electrode-electrolyte composite.

delete

The method of claim 1,

The sealing projection protrudes integrally on both sides of the gasket, the cross-sectional shape is a fuel cell system made of a round type.

The method of claim 3, wherein

And the sealing protrusion forms a thickness of less than 1/2 of a gasket thickness.

The method of claim 1,

And a plurality of electricity generating units, and forming a stack having a stacked structure by the plurality of electricity generating units.

The method of claim 1,

The fuel supply unit:

A fuel tank for storing fuel containing hydrogen; And

A fuel cell system comprising a fuel pump connected to the fuel tank and installed.

The method of claim 1,

The oxygen supply unit comprises a fuel pump for sucking air.

The method of claim 6,

The fuel supply unit includes a reformer connected to the electricity generating unit and the fuel tank to receive fuel from the fuel tank to generate hydrogen gas, and supply the hydrogen gas to the electricity generating unit.

The method of claim 8,

The fuel cell system is a fuel cell system comprising a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method.

The method of claim 1,

The fuel cell system is a fuel cell system comprising a direct methanol fuel cell (DMFC) system.

At least one electricity generating portion comprising an electrode-electrolyte composite (MEA) and separators disposed on both sides of the electrode-electrolyte composite,

The electricity generating portion is connected to an edge portion of the electrode-electrolyte composite, and has a gasket interposed between the edge portion of both separators,

The gasket,

It includes a sealing portion that maintains the airtight between the electrode-electrolyte composite and the separator while elastically deformed by the adhesion of the separator,

Wherein the sealing portion is formed on both sides of the gasket and has at least one sealing protrusion formed along an outer edge of the gasket about the electrode-electrolyte composite.

delete

The method of claim 11,

The sealing protrusion is integrally formed on both sides of the gasket, the stack is used in a fuel cell system having a cross-sectional shape of a round shape.

The method of claim 13,

And said sealing projection is used in a fuel cell system for forming a thickness thereof equal to or less than 1/2 the thickness of a gasket.