KR101135481B1 - 연료 전지용 스택과 이를 갖는 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 수소와 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부를 포함하며,

상기 전기 발생부는 산소와 냉각매체가 다수의 동일한 경로를 통해 공급되고, 상기 경로의 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 이 경로의 단면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있다.

연료전지, 스택, 전기발생부, 세퍼레이터, 유통로, 공기 공급원, 냉매 공급원, 단면적

Description

연료 전지용 스택과 이를 갖는 연료 전지 시스템 {STACK FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM WITH THE SAME}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시한 세퍼레이터의 단면 구성도이다.

도 4는 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도 5는 도 2에 도시한 세퍼레이터의 유통로를 나타내 보인 평면 구성도이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도 8은 도 7에 도시한 세퍼레이터의 유통로를 나타내 보인 평면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료 전지용 스택에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료 전지는 연소 과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가지고 있다.

이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150～200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600～700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.

이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC, 이하 PEMFC라 한다)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있어서, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.

상기와 같은 PEMFC가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프등이 필요하다. 그리고 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 그 수소를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)를 포함할 수 있다. 따라서, PEMFC는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소를 발생시키며, 스택은 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산해 내게 된다.

한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 DMFC라 한다) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 DMFC는 PEMFC와 달리, 개질기가 배제된다.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly : MEA)와 세퍼레이터(separator)('바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)'라고도 한다.)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 그리고 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 산소와 연료 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 MEA의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.

따라서, 세퍼레이터에 의해 애노드 전극에는 수소를 함유하는 가스가 공급되 는 반면, 캐소드 전극에는 산소를 함유한 가스가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.

이러한 연료 전지 시스템은 적정한 운전 온도를 벗어나는 경우 전해질막의 역할 수행 능력이 떨어지고 안정성을 보장할 수 없으며 심한 경우 연료전지를 손상시키게 된다. 이에 상기 연료 전지 시스템에는 공랭식 또는 수냉식의 냉각수단이 구비되어 운전과정에서 스택 내부에 발생되는 열을 지속적으로 제거하게 된다.

여기서 상기 종래의 냉각방식의 경우 냉각매체를 스택의 셀 사이로 진행시키기 위하여 세퍼레이터에 쿨링 채널을 형성하거나 별도의 쿨링플레이트를 셀과 셀 사이에 설치하게 된다. 따라서 냉각매체가 세퍼레이터 또는 쿨링플레이트에 형성된 쿨링채널을 통해 유통되면서 셀의 전기 화학 반응에 의해 발생되는 열을 신속하게 외부로 방열시키게 된다.

그러나 상기한 종래의 구조는 셀 냉각을 위한 별도의 쿨링 플레이트가 셀과 셀 사이에 개재됨에 따라 전체적인 스택의 두께가 두꺼워지는 단점이 있다.

쿨링플레이트를 사용하지 않고 세퍼레이터에 쿨링 채널을 형성하는 경우에도 마찬가지로 세퍼레이터 자체의 두께가 두꺼워지고 이에 따라 스택의 전체 두께가 두꺼워지게 된다.

또한, 스택으로 전기 화학 반응에 필요한 산소를 공급하기 위한 공기 공급 용 에어펌프와 더불어 스택 쿨링을 위해 냉각용 공기를 공급하기 위한 쿨링팬을 모 두 구비해야 하므로 시스템의 구성이 복잡해지고 시스템의 크기가 커지게 되며 소모되는 전력이 늘어나는 문제점이 발생된다.

이러한 연료전지용 스택의 부피 증가는 좁은 공간 내에서 시스템을 설치 사용해야 하는 경우 설계상의 제약 요인으로 작용하여 더욱 큰 문제를 야기하게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스택의 부피를 최소화할 수 있도록 된 연료 전지용 스택을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 시스템을 이루는 구성요소를 줄임으로써 시스템을 단순화시키고 소모되는 전력을 줄일 수 있도록 된 연료 전지 시스템을 제공함에 또다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 수소와 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부를 포함하며,

상기 전기 발생부는 산소와 냉각매체가 다수의 동일한 경로를 통해 공급되고, 상기 경로의 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 이 경로의 단면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있다.

본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 산소와 냉각매체로서 공기를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 경로들은 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 그 간격이 점차 좁아지는 구조로 이루어진다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키기 위한 것으로, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 배치되는 세퍼레이터(Separator)를 포함하여 구성되는 전기 발생부를 포함하며,

상기 전기 발생부는 상기 세퍼레이터 중 적어도 하나의 세퍼레이터 일면에 다수개 배열 형성되어 산소와 냉각매체를 유통시키는 공동 유통로를 구비하고,

상기 유통로들은 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 상기 산소와 냉각매체의 유동 단면적이 점차 작아지는 구조로 이루어진다.

본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 산소와 냉각매체가 상기 유통로로 공급되는 공기를 통해 얻도록 된 구조로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 유통로는 상기 막-전극 어셈블리에 접하는 상기 세퍼레이터의 접면에 채널 형태로 형성될 수 있다. 이경우 상기 유통로는 상기 세퍼레이터의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 유통로들은 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 그 간격이 점차 좁아지는 구조로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 유통로의 간격이 좁아지는 영역의 외측에 매니폴드 타입의 연료 주입구와 연료 배 출구를 형성할 수 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 세퍼레이터를 포함하여 구성되고, 적어도 하나의 상기 세퍼레이터 일면에 산소와 냉각매체의 공동 유통로가 다수개 배열 형성된 전기 발생부와, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 상기 공동 유통로로 냉각매체를 공급하는 냉매 공급원을 포함하며,

상기 유통로들은 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 상기 산소와 냉각매체의 유동 단면적이 점차 작아지는 구조로 이루어진다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 냉각매체로서 공기를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 냉각매체를 통해 상기 산소를 공급받도록 된 구조로 이루어진다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉매 공급원은 냉각용 공기를 상기 유통로로 공급하기 위한 팬을 포함할 수 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 세퍼레이터를 포함하여 구성되고, 적어도 하나의 상기 세퍼레이터 일면에 산소와 냉각매체의 공동 유통로가 다수개 배열 형성된 전기 발생부와, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 상기 유통로로 산소를 공급하기 위한 공기 공급원을 포함하며,

상기 유통로들은 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 상기 산소와 냉각매체의 유동 단면적이 점차 작아지는 구조로 이루어진다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 산소를 공기로부터 공급받도록 된 구조로 되어 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 냉각매체가 상기 공기 공급원으로부터 공급되는 공기인 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 공급원은 공기를 상기 유통로로 공급하기 위한 팬을 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유통로들은 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 그 간격이 점차 좁아지도록 된 형태로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 유통로의 간격이 좁아지는 영역의 외측에 매니폴드 타입의 연료 주입구와 연료 배출구를 형성할 수 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 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 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.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 기체 또는 액상의 연료 이 외에, 상기 연료의 개질에 의하여 발생되는 수소 가스를 통칭한다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 이하의 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료를 의미한다.

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.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로, 수소와 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 발생부(11)와, 전술한 바 있는 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 연료 공급원(30)과, 전기 발생부(11)로 공기를 공급하는 공기 공급원(50)을 포함한다.

상기 전기 발생부(11)는 연료 공급원(30)과 공기 공급원(50)에 연결 설치되 어 이 연료 공급원(30)으로부터 수소 가스를 공급받고, 공기 공급원(50)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소 가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 연료 전지(fuel cell)를 구성한다. 따라서 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속 배치함으로써 전기 발생부(11)들의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 스택(10)은 연료 공급원(30)으로부터 공급되는 수소 가스와, 공기 공급원(50)으로부터 공급되는 공기를 통해 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 수행하면서 상기 공기에 의하여 전기 발생부(11)에서 발생되는 열을 냉각시키는 구조로 되어 있다. 이러한 스택(10)의 구조는 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.

상기한 연료 공급원(30)은 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 이 연료 탱크(31)에 연결 설치되어 상기 연료 탱크(31)에 저장된 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.

이 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 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 것이 바람직하다. 이러한 개질기(35)는 통상적인 PEMFC 방식의 개질기 구성으로 이루어질 수 있으므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.

그리고 상기 공기 공급원(50)은 스택(10)과 연결 설치되며, 소정의 회전력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 전기 발생부(11)로 공급하는 적어도 하나의 팬(51)을 구비한다. 이 때 상기 팬(51)은 스택(10) 전체를 감싸는 하우징(도 4의 17)에 설치되어 스택(10) 전체로 공기를 분출시키는 것이 바람직하다.

여기서 본 발명의 실시예에 의한 상기 시스템(100)은 공기 공급원(50) 이외에 별도로 스택(10)을 냉각시키기 위한 구성이 갖추어지지 않았는데, 이는 공기 공급원(50)을 통해 공급되는 공기가 일부는 전기 발생부(11)의 전기 화학 반응에 소요되고 일부는 스택 냉각용으로 소요되기 때문이다. 이러한 작용은 전기 발생부(11)를 이루는 세퍼레이터에 유통로(도 2의 14a)가 형성됨으로써 가능한데 이에 대해서는 후술하도록 한다.

따라서 연료 공급원(30)을 통해 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하고, 공기 공급원(50)을 통해 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 전기 발생부(11)로부터 발생되는 열이 상기 공기에 의하여 냉각되게 되고, 이와 동시에 상기 전기 발생부(10)에서는 수소 가스 중의 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지, 물 그리고 열을 발생시킨다.

물론, 본 발명의 연료 전지 시스템(100)이 액상의 연료를 직접 스택으로 공 급하여 전기를 생산하는 DMFC 방식으로 구성되는 경우, 상기한 PEMFC 방식과 달리 개질기가 배제된 구성을 이루게 된다. 이하에서는 본 발명을 PEMFC 방식으로 개질기(35)가 적용된 연료 전지 시스템을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기한 구조의 연료 전지 시스템(100)에서 수소 가스 및 공기를 공급받아 전기를 발생시키고, 이때 발생되는 열을 공급되는 공기로 냉각시키는 스택(10)에 대해서 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시한 세퍼레이터의 단면 구성도이고, 도 4는 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 스택(10)은 언급한 바 있듯이 다수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 밀착 배치하여 이루어지는 바, 상기한 각각의 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(이하, "MEA" 라고 한다.)(12)와, 상기 MEA(12)를 중심에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(15)를 포함하여 구성된다.

MEA(12)는 수소와 산소의 전기 화학 반응을 일으키는 소정 면적의 활성 영역을 가지면서 일면에 애노드 전극, 다른 일면에 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 개질기(35)로부터 공급되는 수소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 팬(51)의 가동에 의해 공급되는 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온을 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.

이 MEA(12)를 사이에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 상기 세퍼레이터(15)는 MEA(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가지며, MEA(12)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스와 공기를 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다.

이를 위해 언급한 바와 같이 세퍼레이터(15)의 일측 표면에는 MEA(12)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스를 공급하는 수소 통로(13a)를 형성한다.

그리고 상기 세퍼레이터(15)의 반대쪽 표면에는 MEA(12)의 산화/환원 반응에 필요한 공기와 더불어 스택(10)의 구동에 의해 전기를 발생하는 과정에서 상기 각 전기 발생부(11)에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각용 공기가 공급되는 유통로(14a)를 형성한다.

실질적으로 상기 세퍼레이터(15)는 공기가 공급되도록 유통로(14a)가 형성된 세퍼레이터(14)와 이웃하는 다른 하나의 전기 발생부(11)로 수소 가스가 공급되도록 수소 통로(13a)가 형성된 세퍼레이터(13)가 서로 접하여 합체됨으로써 구성되므로, 이해의 편의를 돕기 위해 이하 설명에서는 상호 접하여 하나의 세퍼레이터를 이루는 두 개의 세퍼레이터 중 수소가 공급되는 세퍼레이터를 제1 세퍼레이터(13) 라 칭하고 공기가 공급되는 세퍼레이터를 제2 세퍼레이터(14)라 칭한다.

상기 제1 세퍼레이터(13)와 제2 세퍼레이터(14)의 일면에 각각 수소 통로(13a)와 유통로(14a)가 형성되고, 수소 통로(13a)와 유통로(14a)가 형성되지 않은 면이 상호 밀착되어 하나의 세퍼레이터(15)를 이룬 상태를 잘 예시하고 있다.

여기서 본 실시예에 따르면 상기 각 세퍼레이터(13, 14)는 각각의 일측면에 수소 통로(13a) 또는 유통로(14a) 만을 형성하면 되므로 각 세퍼레이터(13, 14)에 쿨링용 채널을 형성할 필요가 없게 되고, 또한, 제1 세퍼레이터(13)와 제2 세퍼레이터(14) 사이에 별도의 쿨링 플레이트를 설치하지 않아도 상기 유통로(14a)를 통해 냉각용 공기와 반응용 공기를 유통시킬 수 있게 되므로, 상기 세퍼레이터는 강성이 유지되는 한도에서 그 두께를 최대한 얇게 형성시킬 수 있게 된다.

따라서 세퍼레이터(13, 14)와 MEA(12)를 포함하는 다수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 밀착 배치하여 스택(10)을 구성함에 있어서, 유통로(14a)가 형성된 제2세퍼레이터(14)가 바로 MEA(12)에 접하게 되어 공기 공급원(50)으로부터 공급되는 공기가 상기 유통로(14a)를 지나면서 전기 발생부(11)를 냉각시킴과 더불어 MEA(12)의 캐소드 전극으로 공급되게 된다.

이로써 상기 세퍼레이터 상에 공기가 지나가는 상기 유통로(14a) 이외에 별도의 냉각용 공기 공급을 위한 채널 또는 쿨링 플레이트 등을 형성할 필요가 없게 되어 전기 발생부(11)의 두께가 얇아질 수 있고 전체적으로 스택(10)의 두께가 최대한 얇아질 수 있는 것이다.

이와 같은 상기 제2 세퍼레이터(14)의 유통로(14a)에 대해 그 실시예를 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

상기 유통로(14a)는 MEA(12)에 접하는 제2 세퍼레이터(14)의 접면에 채널 형태로 형성되며, 제2 세퍼레이터(14)의 일측단에서 반대쪽 측단을 향해 직선 형태로 관통 형성된 구조로 되어 있다.

이러한 유통로(14a)는 MEA(12)와 접하면서 양 끝단이 스택(10) 외측으로 연통된다. 따라서 도 5에 도시한 바와 같이, 유통로(14a)의 일측 선단은 공기의 유입구(A)가 되며 반대쪽 선단은 공기의 배출구(B)를 이루게 된다.

이에 따라 공기는 상기 유입구(A)를 통해 유통로(14a)로 유입되어 일부가 MEA(12)의 환원반응에 참여하게 되고, 나머지는 상기 배출구(B)를 통해 빠져나가면서 전기 발생부(11)에서 발생된 열을 스택(10) 외부로 방열시키게 되는 것이다. 여기서 상기 유통로(14a)의 단면구조는 사각형태를 이루는 데, 사각형태 이외에 반원형태나 사다리꼴 형태 등 다양한 형태가 적용될 수 있다.

본 발명에 있어, 상기 유통로(14a)는 유입구(A)에서 배출구(B)로 갈수록 상기 공기의 유동 단면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있다. 즉, 상기 유통로(14a)는 유입구(A)의 단면적이 배출구(B)의 단면적 보다 크며, 이 유입구(A)에서 배출구(B)로 갈수록 공기의 유동 경로가 점차 좁아지는 형태의 직선 패스를 형성하게 된다.

이 유통로(14a)를 위와 같은 구조로 형성하는 이유는, 공기 공급원(50)으로부터 분출되는 공기가 상기 유입구(A)를 통해 원활하게 유입되도록 하여 이 유통로(14a)를 통과하는 공기의 양과 압력을 증대시키기 위함이다.

따라서 본 발명에 따른 스택(10)의 구동시, 공기 공급원(50)으로부터 공급되는 공기는 유통로(14a)의 유입구(A)를 통해 원활하게 유입되는 바, 상기 공기가 이 유통로(14a)를 지나면서 전기 발생부(11)를 냉각시킴과 더불어 MEA(12)로 공급되게 된다.

이로써 본 실시예에 의하면, 상기 유통로(14a)가 유입구(A)에서 배출구(B)로 갈수록 공기의 유동 단면적이 점차 좁아지는 구조로 되어 있어 이 유입구(A)를 통해 유입되는 공기의 양이 증대됨에 따라, 전기 발생부(11)의 냉각 효율 및 수소와 산소의 반응 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 이 유통로(14a)를 통과하는 공기의 압력이 실질적으로 증대되어 MEA(12)에서의 반응 효율 즉, 스택의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 그리고 공기 공급원(50)으로부터 공기가 공급되는 도중, 유입구(A)의 외측으로 퍼져 나가 버려지게 되는 공기의 양이 상대적으로 적어지게 되어, 다수의 팬(51)을 구비하거나 상기 팬(51)의 출력을 높여 스택(10)의 전 영역에 대해 공기를 공급하는 점을 감안할 때, 상기한 팬(51)의 개수 또는 출력을 줄일 수 있으므로, 전체 시스템의 부피를 줄일 수 있음은 물론 시스템에서 생산되는 전력을 절감할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 6의 도면부호 도 1과 동일한 구성 요소에 대해서는 위에서 설명되었으므로 이하 그 설명을 생략하도록 한다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(11)가 연속 배 치된 스택(10)과, 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 연료 공급원(30)과, 상기 전기 발생부(11)로 냉각매체인 공기를 공급하기 위한 냉매 공급원(70)을 포함한다.

본 실시예에 따르면, 상기 시스템(200)은 냉매 공급원(70)을 통해 공급되는 냉각매체인 공기중 일부가 전기 발생부(11)의 전기 화학반응에 참여하게 됨으로써 별도의 공기 공급원이 구비되지 않아도 된다. 즉, 본 시스템(200)은 전기 실시예에서와 같은 공기 공급원이 배제되고, 냉매 공급원(70)이 구비되어 이 냉매 공급원(70)을 통해 산소와 냉각매체를 공급받는 구조를 갖는다.

상기 냉매 공급원(70)은 냉매를 전기 실시예에서와 같은 구조의 전기 발생부(11)로 진행시키기 위한 적어도 하나의 쿨링팬(71)을 포함하며, 이 쿨링팬(71)은 스택(10)으로 냉각매체를 공급할 수 있도록 상기 스택(10)에 연결 설치된다. 상기 냉각매체는 전기 발생부(11)로 산소를 공급하는 역할도 수행해야 하므로 본 실시예에서는 자연 상태에서 쉽게 취할 수 있는 공기가 냉각매체로 사용되게 된다.

본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)의 스택 구성은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 8은 도 7에 도시한 세퍼레이터의 유통로를 나타내 보인 평면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 따른 연료 전지용 스택(110)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 냉각용 및 수소 반응용 공기를 유통시키는 공동 유통로 (114a)들의 간격이 유입구(A)에서 배출구(B)로 갈수록 그 간격이 점차 좁아지는 구조로 되어 있다.

구체적으로, 본 실시예에 의한 상기 유통로(114a)들은 전기 실시예에서와 같이 유입구(A)에서 배출구(B)로 갈수록 공기의 유동 단면적이 점차 작아지는 형태를 취하면서 제2세퍼레이터(114)의 일측단에서 반대쪽 측단을 향해 형성되는 바, 상기 유입구(A)가 제2 세퍼레이터(114)의 일측단 전 영역에 대해 일정 간격 이격되게 연속적으로 배치되고, 이들 간격이 배출구(B)로 갈수록 점차 좁아지는 형태를 취하고 있다.

이에 따라 상기 제2 세퍼레이터(114)의 반대쪽 측단 부분에 상기 배출구(B)들이 유입구(A)들 보다 좁은 간격으로 배치되는 바, 상기 제2 세퍼레이터(114)는 배출구(B) 부근에 유통로(114a)가 형성되지 않은 영역을 가지게 된다.

여기서 제2 세퍼레이터(114)는 상기 유통로(114a)가 형성되지 않은 영역에 매니폴드 타입의 연료 주입구(114b)와 연료 배출구(114c)를 구비한다. 이 때 상기 연료 주입구(114b)는 연료, 바람직하게는 수소 가스를 제1 세퍼레이터(113)의 수소 통로(113a)로 공급하기 위한 것으로, 밑변 보다 수직변이 상대적으로 긴 삼각형으로 형성되며, 제1 세퍼레이터(113)에 형성되는 연료 주입구(113b)와 연통된다. 그리고 상기 연료 배출구(114c)는 제1 세퍼레이터(113)의 수소 통로(113a)를 통과하면서 MEA(112)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 것으로, 밑변 보다 수직변이 상대적으로 긴 삼각형으로 형성되며, 제1 세퍼레이터(113)에 형성되는 연료 배출구(113c)와 연통된다.

이와 같이 밑변 보다 수직변이 상대적으로 긴 삼각형의 연료 주입구(114b)와 연료 배출구(114c)는, 종래의 연료 주입구와 배출구가 정사각형, 직사각형 또는 원형의 매니폴드 타입으로 이루어지는 점을 감안할 때, 종래의 연료 주입구 및 연료 배출구 보다 더 큰 단면적을 갖게 된다.

따라서 본 실시예에 의한 스택(110)은 전기 실시예에서와 같이, 상기 유통로(114a)가 유입구(A)에서 배출구(B)로 갈수록 공기의 유동 단면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있기 때문에, 상기 공기가 유입구(A)를 통해 원활하게 유입되는 바, 이 유통로(114a)를 통과하는 공기의 양과 압력을 증대시킬 수 있게 된다.

이에 더하여, 상기 유통로(114a)의 간격이 유입구(A)에서 배출구(B)로 갈수록 점차 좁아지는 구조로 이루어지고, 배출구(B) 부근에 전술한 바와 같은 연료 주입구(114b)와 연료 배출구(114c)를 형성함에 따라, 제1 세퍼레이터(113)의 수소 통로(113a)로 공급되는 수소 가스의 양을 실질적으로 증대시킬 수 있게 되어 결과적으로 스택의 성능을 더욱 향상시킴은 물론, 전체 스택의 부피를 줄일 수 있는 잇점이 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 따르면, 공동 유통로로 공기를 제공하여 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 수행하면서 전기 발생부에서 발생되는 열을 냉각시키는 구조를 가지므로, 세퍼레이터에 별도의 쿨링을 위한 채널을 형성하거나 쿨링플레이트를 설치하지 않게 되어 스택의 부피를 최소화할 수 있다.

또한, 스택으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급원과 스택으로 냉각매체를 공급하기 위한 냉매 공급원을 별도로 구비하지 않고, 이들 중 어느 하나만으로 전기 발생부에 냉각매체와 산소를 공급할 수 있게 되어 전체적인 연료 전지 시스템의 부피를 줄일 수 있으며, 시스템에서 소모되는 전력을 절감할 수 있게 된다.

또한, 산소와 냉각매체를 유통시키는 공동 유통로의 구조를 개선하여 공기가 유통로로 원활하게 유입되도록 함으로써, 유통로를 통과하는 공기의 양과 압력을 증대시킬 수 있다. 따라서 전체 스택의 냉각 효율 및 성능을 향상시킴은 물론 스택의 부피를 최소화할 수 있다.

Claims (20)

1. 수소와 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부

   를 포함하며,

   상기 전기 발생부는 산소와 냉각매체가 다수의 동일한 경로를 통해 공급되는 구조로 이루어지고,

   상기 경로는 입구와 출구를 연결하는 전체 구간에서 입구로부터 출구를 향해 상기 경로의 단면적이 점차 작아지는 구조로 형성되며,

   상기 다수의 경로들은 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 서로간 간격이 점차 좁아지도록 형성되는 연료 전지용 스택.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 산소와 냉각매체가 공기인 연료 전지용 스택.
3. 삭제
4. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지용 스택에 있어서,

   막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 배치되는 세퍼레이터(Separator)를 포함하여 구성되는 전기 발생부

   를 포함하며,

   상기 전기 발생부는 상기 세퍼레이터 중 적어도 하나의 세퍼레이터 일면에 다수개 배열 형성되어 산소와 냉각매체를 유통시키는 공동 유통로를 구비하고,

   상기 공동 유통로들은 입구와 출구를 연결하는 전체 구간에서 입구로부터 출구를 향해 유동 단면적이 점차 작아지도록 형성되고, 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 서로간 간격이 점차 좁아지는 연료 전지용 스택.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 산소와 냉각매체는 상기 공동 유통로로 공급되는 공기를 통해 얻도록 된 연료 전지용 스택.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 공동 유통로는 상기 막-전극 어셈블리에 접하는 상기 세퍼레이터의 접면에 채널 형태로 형성되는 연료 전지용 스택.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 공동 유통로는 상기 세퍼레이터의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 형성되는 연료 전지용 스택.
8. 삭제
9. 제 4 항에 있어서,

   상기 세퍼레이터는 상기 공동 유통로들의 간격이 좁아지는 영역의 외측에 매니폴드 타입의 연료 주입구와 연료 배출구를 형성하는 연료 전지용 스택.
10. 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 세퍼레이터를 포함하여 구성되고, 적어도 하나의 상기 세퍼레이터 일면에 산소와 냉각매체의 공동 유통로가 다수개 배열 형성된 전기 발생부;

    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및

    상기 공동 유통로로 냉각매체를 공급하는 냉매 공급원

    을 포함하며,

    상기 공동 유통로들은 입구와 출구를 연결하는 전체 구간에서 입구로부터 출구를 향해 유동 단면적이 점차 작아지도록 형성되고, 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 서로간 간격이 점차 좁아지는 연료 전지 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 냉각매체가 공기인 연료 전지 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 산소는 상기 냉각매체를 통해 공급받도록 된 연료 전지 시스템.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 냉매 공급원은 냉각용 공기를 상기 공동 유통로로 공급하기 위한 팬을 포함하는 연료 전지 시스템.
14. 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 세퍼레이터를 포함하여 구성되고, 적어도 하나의 상기 세퍼레이터 일면에 산소와 냉각매체의 공동 유통로가 다수개 배열 형성된 전기 발생부;

    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및

    상기 공동 유통로로 산소를 공급하기 위한 공기 공급원

    을 포함하며,

    상기 공동 유통로들은 입구와 출구를 연결하는 전체 구간에서 입구로부터 출구를 향해 유동 단면적이 점차 작아지도록 형성되고, 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 서로간 간격이 좁아지는 연료 전지 시스템.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 산소는 공기로부터 공급받도록 된 연료 전지 시스템.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 냉각매체가 상기 공기 공급원으로부터 공급되는 공기인 연료 전지 시스템.
17. 제 14 항에 있어서,

    상기 공기 공급원은 공기를 상기 공동 유통로로 공급하기 위한 팬을 포함하는 연료 전지 시스템.
18. 제 10 항 또는 제 14 항에 있어서,

    상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
19. 삭제
20. 제 10 항 또는 제 14 항에 있어서,

    상기 세퍼레이터는 상기 공동 유통로들의 간격이 좁아지는 영역의 외측에 매니폴드 타입의 연료 주입구와 연료 배출구를 형성하는 연료 전지 시스템.

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