KR101065382B1 - 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 전기 발생부는, 상기 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어지고, 서로 이웃하는 상기 세퍼레이터의 일면에 형성되어 상기 세퍼레이터의 슬라이딩 결합을 가능하게 하는 얼라인부재를 포함한다.

연료전지, 스택, 세퍼레이터, MEA, 가스켓, 얼라인, 얼라인부재, 슬라이딩, 결합

Description

연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택 {FUEL CELL SYSTEM AND STACK USED THERETO}

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

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스택의 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스택의 분해 사시도이다.

도 5는 도 4의 결합 단면 구성도이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 대한 얼라인부재의 변형예를 도시한 세퍼레이터의 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택의 적층 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너 지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

이러한 연료 전지는 메탄올 또는 에탄올 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 갖는다.

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.

이와 같이 단위의 셀을 복수로 적층하여 스택을 구성함에 있어 전극-전해질 합성체의 전극 부분과 세퍼레이터의 수소 및 산소 통로를 정확하게 얼라인시키는 기술이 연료 전지 전체의 성능을 좌우하는 중요한 인자가 된다. 즉, 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터의 수소 및 산소 통로가 정확하게 얼라인되지 않은 경우, 세퍼레이터를 통해 공급되는 수소와 산소의 흐름과 압력이 불안정하게 되고, 이로 인해 전류와 온도의 분포가 불균일하게 되어 국부적인 전기 및 열적 과부하를 초래함으로써 연료 전지의 효율 저하는 물론 수명이 단축될 수 있기 때문이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 창안된 것으로, 그 목적은 스택을 구성하는 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터를 용이하게 얼라인시킬 수 있는 구조를 가진 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택을 제공하는데 있다.

상기의 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 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며,

상기 전기 발생부는, 상기 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어지고, 서로 이웃하는 상기 세퍼레이터의 일면에 형성되어 상기 세퍼레이터의 슬라이딩 결합을 가능하게 하는 얼라인부재를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는, 상기 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분과 전극-전해질 합성체에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 다수의 통로를 구비하고, 상기 통로를 형성하는 제1 영역과, 상기 제1 영역을 제외한 나머지의 제2 영역으로 구분되며, 상기 제2 영역에 얼라인부재를 형성할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 얼라인부재는, 상기 제2 영역의 서로 대응되는 가장자리 부분을 따라 상호 평행하게 돌출 형성되는 한 쌍의 돌기부와, 상기 돌기부와 형태의 결합을 이루는 가이드 홈을 구비한다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 돌기부는 그 길이 방향에 수직하는 단면의 상단폭이 하단폭 보다 큰 형상으로 이루어진다. 이 경우 상기 돌기부의 단면이 역사다리꼴 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 가이드 홈은 상기 돌기부 보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

아울러 상기의 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 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며,

상기 전기 발생부는, 상기 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어지고, 서로 이웃하는 상기 세퍼레이터의 일면에 형성되어 상기 세퍼레이터의 적층 방향으로 삽입 결합되는 얼라인부재를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는, 상기 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분과 전극-전해질 합성체에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 다수의 통로를 구비하고, 상기 통로를 형성하는 제1 영역과, 상기 제1 영역을 제외한 나머지의 제2 영역으로 구분되며, 상기 제2 영역에 얼라인부재를 형성할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 얼라인부재는, 상기 제2 영역의 가장자리 부분을 따라 돌출 형성되는 돌기부와, 상기 돌기부와 형태의 결합을 이루는 요홈부를 구비한다. 이 경우 상기 돌기부는 그 길이 방향에 수직하 는 단면이 사각 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 돌기부는 그 길이 방향에 수직하는 단면이 삼각 형상으로 이루어질 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 돌기부는 그 길이 방향에 수직하는 단면의 상단폭이 하단폭 보다 작게 형성되며, 그 상단 부분이 라운드 형상으로 볼록하게 형성될 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조의 스택을 형성한다.

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 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급부는 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.

또한 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.

아울러 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택은, 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어진 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며, 상기 전기 발생부는 서로 이웃하는 상기 세퍼레이터의 일면에 형성되어 상기 세퍼레이터의 슬라이딩 결합을 가능하게 하는 얼라인부재를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, 상기 얼라인부재는 역사다리꼴 형상의 단면을 갖는 돌기부와, 이 돌기부가 슬라이딩 결합되는 가이드 홈을 구비할 수 있다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택은, 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어진 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며, 상기 전기 발생부는 서로 이웃하는 상기 세퍼레이터의 일면에 형성되어 상기 세퍼레이터의 적층 방향으로 삽입 결합되는 얼라인부재를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, 상기 얼라인부재는 사각 형상의 단면을 갖는 돌기부와, 이 돌기부가 삽입 결합되는 요홈부를 구비할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, 상기 얼라인부재는 삼각 형상의 단면을 갖는 돌기부와, 이 돌기부가 삽입 결합되는 요홈부를 구비할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, 상기 돌기부는 상단폭이 하단폭 보다 작은 단면을 가지면서 그 상단 부분이 라운드 형상 으로 볼록하게 형성되는 돌기부와, 이 돌기부가 삽입 결합되는 요홈부를 구비할 수도 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

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

도 1을 참고하면, 본 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같이 수소를 함유한 협의(狹義)의 연료 이 외에, 광의(廣義)의 연료로서 물 및 산소가 더욱 포함된다.

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.

상기 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반 응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)를 구비하는 스택(10)과, 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 연료 공급부(20)와, 공기를 전기 발생부(11)로 공급하는 공기 공급부(30)를 포함하여 구성된다.

스택(10)은 복수로 구비되는 상기 전기 발생부(11)의 적층 구조로 이루어지는 바, 이러한 스택(10)을 구성하는 전기 발생부(11)의 자세한 구조는 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.

연료 공급부(20)는 전술한 바 있는 협의의 연료를 저장하는 연료 탱크(21)와, 이 연료 탱크(21)에 연결 설치되는 연료 펌프(22)와, 연료 탱크(21)와 연결 설치되어 상기 협의의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(23)를 포함한다. 그리고 산소 공급부(30)는 공기를 흡입하여 전기 발생부(11)로 공급하는 공기 펌프(31)를 포함하고 있다.

상기 연료 공급부(20)에 있어 개질기(23)는 연료 탱크(21)와 스택(10) 사이에 배치되어 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 협의의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기의 구조를 갖는다.

대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기 협의의 연료를 직접 전기 발생부(11)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 있 는 개질기(23)를 필요로 하지 않는다.

상기 연료 공급부(20)로부터 수소 가스를 공급받고, 공기 공급부(30)로부터 공기를 공급받아 이 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(11)는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스택의 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 전술한 바 있는 전기 발생부(11)는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)( 이하, 'MEA"라고 한다.)(12)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(Separator)('바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(13, 15)를 배치하여 단일 스택을 형성하며, 이 전기 발생부(11)가 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다.

이와 같이 양측 세퍼레이터(13, 15) 사이에 개재되는 MEA(12)는 이의 양면에 애노드 전극과 캐소드 전극(도시하지 않음)이 위치하고, 상기 두 전극 사이에 전해질막(도시하지 않음)을 구비하는 구조로 이루어져 있다.

세퍼레이터(13, 15)는 MEA(12)를 사이에 두고 밀착 배치되어, MEA(12)의 양측에 각각 수소통로(13a)와 공기통로(15a)를 형성한다. 여기서 수소통로(13a)는 MEA(12)의 애노드 전극 측에 위치하고, 공기통로(15a)는 MEA(12)의 캐소드 전극 측에 위치한다. 이러한 세퍼레이터(13, 15)는 MEA(12)의 양측에 수소 가스와 산소를 공급하는 기능 외에, 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 가진다. 이 때 각각의 세퍼레이터(13, 15)는 대략 사각형(본 실시예에서는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 가로 폭이 넓은 직사각형)의 형상으로 외형을 이룬다. 또한 각각의 세퍼레이터(13, 15)는 일면에 수소 통로(13a)를 형성하고, 다른 일면에 공기 통로(15a)를 형성하고 있다. 그리고 세퍼레이터(13, 15)는 그 몸체에 대하여 수소통로(13a)와 공기통로(15a)를 형성하는 제1 영역(A)과, 제1 영역(A)의 외측에 위치하는 제2 영역(B) 즉, 몸체의 가장자리 부분으로 구분할 수 있다.

그리고 MEA(12)와 세퍼레이터(13, 15) 사이의 가장자리 부분에는 MEA(12)와 양 세퍼레이터(13, 15) 사이의 기밀을 유지시키는 가스켓(14)이 개재된다. 상기 가스켓(14)은 세퍼레이터(13, 15)의 통로(13a, 15a)를 통해 MEA(12)로 공급되는 수소 가스와 공기가 외부로 누출되거나 서로 섞이는 것을 방지하기 위한 것이다. 이러한 가스켓(14)은 탄성 재료인 고무 소재 예컨대, 실리콘계, 불소계 또는 올레핀계 고무 소재로 이루어지고, MEA(12)의 가장자리 부분과 연결되도록 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 공급부(20)의 개질기(23)를 통해 발생되는 수소 가스와 공기 펌프(31)에 의해 흡입되는 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 전기 발생부(11)에서는 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기와 물 그리고 열을 발생시킨다.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 세퍼레이터(13, 15) 사이에 MEA(12)를 배치하여 단위의 전기 발생부(11)를 구성하고 이러한 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 적층하여 스택(10)을 형성하는 바, 본 실시예에서는 위와 같은 MEA(12)와 세퍼레이터(13, 15)를 정확하게 얼라인하여 적층시킬 수 있는 얼라인부재(40)를 구비 하고 있다. 본 발명은 얼라인부재(40)에 의해 복수로 적층되는 전기 발생부(11)들을 정렬할 수 있는 구조를 가지나, 도면에서는 편의상 단일의 전기 발생부(11)를 얼라인시키는 예를 도시하고 있다.

상기 얼라인부재(40)는 MEA(12)를 중심에 두고 서로 이웃하는 세퍼레이터(13, 15)의 일면에 형성되어 이들 세퍼레이터(13, 15)들의 슬라이딩 결합을 가능하게 하는 구조를 갖는다.

보다 구체적으로, 상기 얼라인부재(40)는 일측 세퍼레이터(13)의 제2 영역(B)에 형성되는 돌기부(41)와, 이 돌기부(41)에 대응되는 타측 세퍼레이터(15)의 제2 영역(B)에 형성되는 가이드 홈(42)을 구비하고 있다.

상기 돌기부(41)는 수소통로(13a)를 형성하는 일측 세퍼레이터(13)의 일면에 형성되며, 제2 영역(B)의 서로 대응되는 가장자리 부분 즉, 일측 세퍼레이터(13)의 장변측 가장자리 부분에 상호 평행하도록 돌출 형성된다. 이러한 돌기부(41)는 그 길이 방향에 수직하는 단면의 상단폭이 하단폭 보다 큰 형상, 바람직하게는 상기 단면이 역사다리꼴 형상을 취하고 있다. 이 때 상기 돌기부(41)는 세퍼레이터(13)의 일면에 일체로 돌출 형성되며, 이와 달리 별도로 제조되어 세퍼레이터(13)의 일면에 부착 형성될 수도 있다. 그러나 본 실시예에서는 상기 돌기부(41)가 세퍼레이터(13)의 일면에 일체로 돌출 형성되는 예를 설명한다.

그리고 돌기부(41)는, 일측 세퍼레이터(13)의 제1 영역(A)에 MEA(12)가 위치하고 MEA(12)의 가장자리 부분에 연결되는 가스켓(14)이 제2 영역(B)에 위치하게 되는 바, 가스켓(14)의 위치 영역을 고려하여 제1 영역(A)의 외측 가장자리를 여유 로 두고 제2 영역(B)에 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 상기한 가스켓(14)이 한 쌍의 돌기부(41)에 가이드되면서 제2 영역(B)에 위치하게 되고, 그럼에 따라 상기한 MEA(12)는 제1 영역(A)에 자연스럽게 위치하게 된다.

상기 가이드 홈(42)은 공기통로(15a)를 형성하는 타측 세퍼레이터(15)의 일면에 형성되며, 구체적으로는 상기한 돌기부(41)에 대응되는 세퍼레이터(15)의 제2 영역(B)에 형성된다. 이러한 가이드 홈(42)은 양 세퍼레이터(13, 15)의 슬라이딩 결합을 가이드하기 위한 것으로서, 상기 돌기부(41)와 형태의 결합을 이루는 형상 즉, 역사다리꼴 형상을 가지며, 그 홈의 크기를 돌기부(41) 보다 크게 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 돌기부(41)와 가이드 홈(42)의 슬라이딩 결합시 돌기부(41)의 외표면과 가이드 홈(42)의 내표면이 서로 이격되도록 가이드 홈(42)의 크기를 돌기부(41) 보다 크게 형성한다. 이와 같이 상기 가이드 홈(42)의 크기를 돌기부(41) 보다 크게 하여 형성하는 이유는, 양 세퍼레이터(13, 15) 사이에 위치하는 MEA(12)와 가스켓(14)을 실질적으로 밀착시킬 수 있는 유격을 제공하기 위함이다.

이에 상기와 같이 구성되는 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 전술한 바와 같은 얼라인부재(40)에 의해 세퍼레이터(13, 15)와 MEA(12)의 위치를 정확하게 얼라인시키면서 전기 발생부(11)의 적층 구조에 의한 스택(10)을 용이하게 형성할 수 있다.

상기 스택(10)을 형성하는 과정을 살펴 보면, 우선 일측 세퍼레이터(13)의 제1 영역(A)에 MEA(12)를 위치시키고 제2 영역(B)에 가스켓(14)을 위치시킨다. 이 때 가스켓(14)은 돌기부(41)에 의해 가이드되면서 세퍼레이터(13)의 제2 영역(B)에 정확하게 얼라인 되고, 이에 따라 MEA(12) 또한 제1 영역(A)에 자연스럽게 얼라인되게 된다.

이러한 상태에서 일측 세퍼레이터(13)의 돌기부(41)를 타측 세퍼레이터(15)의 가이드 홈(42)에 삽입 결합시킨다. 그러면 돌기부(41)가 가이드 홈(42)에 가이드되면서 결합됨에 따라, 타측 세퍼레이터(15)는 일측 세퍼레이터(13)에 슬라이딩 결합되고, 이러한 결합에 의해 이들 세퍼레이터(13, 15)는 자연스럽게 얼라인되게 된다.

이와 같은 과정을 반복하여 복수의 전기 발생부(11)를 적층하고 이들을 일정 압력으로 가압하여 체결하게 되면, MEA(12)와 가스켓(14) 및 세퍼레이터(13, 15)가 정확하게 정렬된 스택(10)을 형성할 수 있게 된다. 이 때 서로 슬라이딩 결합된 세퍼레이터(13, 15)는, 가이드 홈(42)의 크기를 돌기부(41) 보다 크게 형성하고 있기 때문에, 돌기부(41)의 외표면과 가이드 홈(42)의 내표면 간 유격 만큼 MEA(12)와 가스켓(14)을 실질적으로 밀착시킬 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스택의 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 결합 단면 구성도이다.

도 4 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 의한 스택(50)은 일측 세퍼레이터(53)의 일면에 MEA(52)와 가스켓(54)을 정확하게 위치시키고, 이 MEA(52)와 가스켓(54)을 사이에 두고 타측 세퍼레이터(55)를 일측 세퍼레이터(53)에 정확하게 얼라인시킬 수 있는 구조를 갖는다.

이를 위해 본 실시예에서는 서로 이웃하는 세퍼레이터(53, 55)의 일면에 형 성되어 이들 세퍼레이터(53, 55)의 적층 방향으로 삽입 결합되는 얼라인부재(60)를 포함하고 있다.

상기 얼라인부재(60)는 일측 세퍼레이터(53)의 제2 영역(B)에 형성되는 돌기부(61)와, 이 돌기부(61)에 대응되는 타측 세퍼레이터(55)의 제2 영역(B)에 형성되는 요홈부(62)을 구비하고 있다.

상기 돌기부(61)는 수소통로(53a)를 형성하는 일측 세퍼레이터(53)의 일면에 형성되며, 제2 영역(B)의 가장자리 부분을 따라 사각 링의 형태로 돌출 형성되며, 그 단면이 사각 형상을 취하고 있다. 이 때 상기 돌기부(61)는 세퍼레이터(53)의 일면에 일체로 돌출 형성되는 것이 바람직하나, 별도로 제조되어 세퍼레이터(53)의 일면에 부착 형성될 수도 있다. 그러나 본 실시예에서는 상기 돌기부(61)가 세퍼레이터(53)의 일면에 일체로 돌출 형성되는 예를 설명한다.

그리고 돌기부(61)는, 일측 세퍼레이터(53)의 제1 영역(A)에 MEA(52)가 위치하고 MEA(52)의 가장자리 부분에 연결되는 가스켓(54)이 제2 영역(B)에 위치하게 되는 바, 가스켓(54)의 위치 영역을 고려하여 제1 영역(A)의 외측 가장자리를 여유로 두고 제2 영역(B)에 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 상기한 가스켓(54)이 돌기부(61)에 가이드되면서 그 내측의 제2 영역(B)에 정확하게 안착되고, 그럼에 따라 상기한 MEA(52)는 제1 영역(A)에 정확하게 안착될 수 있다.

상기 요홈부(62)는 공기통로(55a)를 형성하는 타측 세퍼레이터(55)의 일면에 형성된다. 구체적으로, 상기 요홈부(62)는 상기 타측 세퍼레이터(55)와 일측 세퍼레이터(53)가 적층 방향으로 결합되면서 그 위치가 정확하게 얼라인될 수 있도록 상기한 돌기부(51)에 대응되는 세퍼레이터(55)의 제2 영역(B)에 형성된다. 이러한 요홈부(62)는 상기 돌기부(61)와 형태의 결합을 이루도록 사각 형상을 취한다.

이에 상기와 같이 구성되는 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 전술한 바와 같은 얼라인부재(60)에 의해 세퍼레이터(53, 55)와 MEA(52)의 위치를 정확하게 얼라인시키면서 전기 발생부(51)의 적층 구조에 의한 스택(50)을 용이하게 형성할 수 있다.

상기 스택(50)을 형성하는 과정을 살펴 보면, 우선 일측 세퍼레이터(53)의 제1 영역(A)에 MEA(52)를 위치시키고 제2 영역(B)에 가스켓(54)을 위치시킨다. 이 때 가스켓(54)은 돌기부(61)에 의해 가이드되면서 세퍼레이터(53)의 제2 영역(B)에 정확하게 얼라인 되고, 이에 따라 MEA(52) 또한 제1 영역(A)에 자연스럽게 얼라인되게 된다.

이러한 상태에서 타측 세퍼레이터(55)의 요홈부(62)에 일측 세퍼레이터(53)의 돌기부(61)를 이들 세퍼레이터(53, 55)의 적층 방향으로 삽입 결합시킨다. 그러면 돌기부(61)가 요홈부(62)에 결합됨에 따라, 타측 세퍼레이터(55)와 일측 세퍼레이터(53)는 그 위치가 정확하게 얼라인되게 된다.

이와 같은 과정을 반복하여 복수의 전기 발생부(51)를 적층하고 이들을 일정 압력으로 가압하여 체결하게 되면, MEA(52)와 가스켓(54) 및 세퍼레이터(53, 55)가 정확하게 정렬된 스택(50)을 형성할 수 있게 된다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 대한 얼라인부재의 변형예를 도시한 세퍼레이터의 단면 구성도이다.

도 6a를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 대한 제1 변형예로서, 이 경우는 돌기부(61A)와 요홈부(62A)의 단면이 삼각 형상으로 이루어진 얼라인부재(60A)를 구비한다.

따라서 본 변형예에 의하면, 이와 같은 구조를 갖는 돌기부(61A)와 요홈부(62A)의 형태 결합에 의해 MEA(52)와 가스켓(54)을 사이에 두고 세퍼레이터(53, 55)를 정확하게 얼라인시킬 수 있다.

도 6b를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 대한 제2 변형예로서, 이 경우는 상단폭이 하단폭 보다 작은 단면을 가지면서 그 상단 부분이 라운드 형상으로 볼록하게 형성되는 돌기부(61B)와, 이 돌기부(61B)가 삽입 결합되는 요홈부(62B)를 포함하는 얼라인부재(60B)를 구비할 수도 있다.

이와 같이 돌기부(61B)의 상단 부분을 라운드 형상으로 볼록하게 형성하는 이유는 돌기부(61B)와 요홈부(62B)의 형태 결합시 이 돌기부(61B)가 상기 라운드 부분에 의해 가이드되면서 요홈부(62B)에 용이하게 결합되도록 하기 위함이다.

따라서 본 변형예에 의하면, 이와 같은 구조를 갖는 돌기부(61B)와 요홈부(62B)의 형태 결합에 의해 MEA(52)와 가스켓(54)을 사이에 두고 세퍼레이터(53, 55)를 더욱 정확하고 용이하게 얼라인시킬 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 복수의 전기 발생부를 적층하여 스택을 구성함에 있어 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터의 통로를 정확하게 얼라인시킴으로써 연료 전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (22)

1. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;

   수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및

   공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며,

   상기 전기 발생부는,

   전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어지고,

   서로 이웃하는 상기 세퍼레이터의 일면에 형성되어 상기 세퍼레이터의 슬라이딩 결합을 가능하게 하는 얼라인부재를 포함하며,

   상기 얼라인 부재는 그 길이 방향에 수직하는 단면의 상단폭이 하단폭 보다 큰 형상으로 이루어지는 돌기부와,

   상기 돌기부가 슬라이딩 결합되는 가이드 홈을 포함하는 연료 전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 세퍼레이터는,

   상기 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분과 전극-전해질 합성체에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 다수의 통로를 구비하고,

   상기 통로를 형성하는 제1 영역과, 상기 제1 영역을 제외한 나머지의 제2 영역으로 구분되며,

   상기 얼라인부재는 상기 제2 영역에 형성되는 연료 전지 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 돌기부는,

   상기 제2 영역의 서로 대응되는 가장자리 부분을 따라 상호 평행하게 돌출 형성되는 한 쌍의 돌기부를 포함하고,

   상기 가이드 홈은 상기 돌기부와 형태의 결합을 이루는 연료 전지 시스템.
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5. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 돌기부의 단면이 역사다리꼴 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 가이드 홈은 상기 돌기부 보다 크게 형성되는 연료 전지 시스템.
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13. 제 1 항에 있어서,

    상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조의 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
14. 제 1 항에 있어서,

    상기 연료 공급부는:

    수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크; 및

    상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
15. 제 1 항에 있어서,

    상기 산소 공급부는 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
16. 제 14 항에 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 포함하는 연료 전지 시스템.
17. 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어진 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며,

    상기 전기 발생부는,

    서로 이웃하는 상기 세퍼레이터의 일면에 형성되어 상기 세퍼레이터의 슬라이딩 결합을 가능하게 하는 얼라인부재를 포함하며,

    상기 얼라인부재는 역사다리꼴 형상의 단면을 갖는 돌기부와, 이 돌기부가 슬라이딩 결합되는 가이드 홈을 포함하는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
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