KR101173857B1 - 연료 전지 시스템, 스택, 및 세퍼레이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 부피를 작게 하면서 내부식성을 가지는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부; 산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부를 다수로 구비하는 스택을 포함하고, 상기 세퍼레이터는, 그 일측에 연료가 공급되는 연료통로를 형성하는 제1 세퍼레이터와, 다른 일측에 공기가 공급되는 공기통로를 형성하는 제2 세퍼레이터를 포함하며, 상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터는 서로 다른 재질로 형성된다.
Figure R1020040065751
연료전지, 세퍼레이터, 스택, 연료통로, 카본 합성물

Description

연료 전지 시스템, 스택, 및 세퍼레이터 {FUEL CELL SYSTEM AND STACK AND SEPARATOR OF THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 스택의 제1 실시예를 분해 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 스택의 제1 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제1 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제1 실시예를 조립하여 단면 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제1 세퍼레이터의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 제2 세퍼레이터의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 스택의 제2 실시예를 분해 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 스택의 제2 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제2 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제2 실시예를 조립하여 단면 도시한 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 일측에 형성된 통로의 제1 실시예의 평면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 세퍼레이터의 일측에 형성된 통로의 제2 실시예의 평면도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템, 이 시스템에 사용되는 스택(stack) 및 세퍼레이터(separator)에 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 전기 화학 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.
근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 PEMFC라 한다)는, 다른 연료 전지에 비하여 출 력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 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 펌프 등이 필요하다. 그리고 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 필요하다. 따라서, PEMFC는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 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 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly : MEA, 이하 MEA라 한다)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. MEA는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다.
그리고, 세퍼레이터는 상기 MEA를 사이에 두고 양측에 배치되어, 연료 전지 의 반응에 필요한 산소 가스와 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 연료가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소를 함유한 산소 가스가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료 가스의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소 가스의 전기 화학적인 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
이러한 작용을 하는 세퍼레이터는 통상적으로 카본 합성물로 형성되기 때문에 세퍼레이터 자체 및 스택의 부피를 크게 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 부피를 작게 하면서 내부식성을 가지는 연료 전지 시스템, 그 스택, 및 세퍼레이터를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은,
수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부;
산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 및
상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부를 다수로 구비하는 스택을 포함하며,
상기 세퍼레이터는, 그 일측에 연료가 공급되는 연료통로를 형성하는 제1 세퍼레이터와, 다른 일측에 공기가 공급되는 공기통로를 형성하는 제2 세퍼레이터를 포함하며,
상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터는 서로 다른 재질로 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택은,
연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부를 다수로 구비하고,
상기 세퍼레이터는 그 일측에 연료가 공급되는 연료통로를 형성하는 제1 세퍼레이터와, 다른 일측에 공기가 공급되는 공기통로를 형성하는 제2 세퍼레이터를 포함하며,
상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터는 서로 다른 재질로 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 세퍼레이터는,
연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 배치되어 전기 발생부를 구성하며,
그 일측에 연료가 공급되는 연료통로를 형성하는 제1 세퍼레이터와, 다른 일측에 공기가 공급되는 공기통로를 형성하는 제2 세퍼레이터를 포함하며,
상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터는 서로 다른 재질로 형성된다.
상기 제1 세퍼레이터는 부피를 작게 하도록 금속으로 형성되고, 제2 세퍼레 이터는 부식을 방지하도록 카본 합성물로 형성된다.
상기 제1 세퍼레이터는 수소가 공급되는 MEA의 애노드 전극 측에 위치하고, 제2 세퍼레이터는 산소가 공급되는MEA의 캐소드 전극 측에 위치한다.
상기 제1 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 연료통로를 형성한다. 상기 제2 세퍼레이터는 카본 합성물을 성형하여 공기통로를 형성한다.
상기 제1 세퍼레이터는 스테인레스강 또는 Ti, Al, Cr 중 어느 한 성분이 20%이상 함유된 금속으로 형성된다.
상기 제1 세퍼레이터의 표면은 금, 은, 도전성 탄소, 무기화합물, 붕화물, 수지 도전층 중 어는 하나와 같은 코팅층을 구비한다.
상기 제2 세퍼레이터는 탄소분말과 열경화성수지 또는 탄소분말과 열가소성수지로 성형된다.
상기 탄소분말은 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연, 및 비결정 탄소 중 어느 하나 이상의 혼합물로 형성된다.
상기 제2 세퍼레이터는 금속판과, 이 금속판 위에 사출 성형된 카본 합성물로 형성된다.
상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터는 접착성 수지에 의하여 일체로 형성된다.
상기 제1 세퍼레이터에 형성된 연료통로와 제2 세퍼레이터에 형성된 공기통로는 서로 동일 방향 또는 직각 방향으로 배치된다.
상기 제1 세퍼레이터에 형성된 연료통로 또는 제2 세퍼레이터에 형성된 공기 통로는 하나 이상의 개수로 형성된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이 도면을 참조하여 연료 전지 시스템을 설명하면, 이 연료 전지 시스템은, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 그 수소 가스와 외부 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 발생되는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 PEMFC 방식을 채용하고 있다는 것을 알 수 있다.
이 연료 전지 시스템은 상기한 탄화수소 계열의 연료를 개질하여 공급하는 연료 공급부(10), 외부의 공기를 공급하는 공기 공급부(12), 및 상기와 같이 공급되는 수소 가스와 공기의 반응에 따른 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 스택(14)을 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기 연료 공급부(10)는 액상의 연료를 직접 스택(14)으로 공급하여 전기를 생산하는 DMFC 방식의 경우, 상기 PEMFC 방식과 달리 개질기(16)가 배제된 구성을 이루게 된다. 이하에서는 상기한 PEMFC 방식을 적용한 연료 전지 시스템을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 연료 공급부(10)는 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(18)와, 이 연료 탱크(18)에 저장된 연료를 배출시키도록 연료 탱크(18)에 연결 설 치되는 연료 펌프(20)를 구비한다. 이 연료 탱크(18) 및 연료 펌프(20)는 개질기(16)를 개재하여 스택(14)에 연료를 공급할 수 있도록 연결된다.
상기 공기 공급부(12)는 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 압송하는 공기 펌프(22)를 포함하며, 이 공기 펌프(22)는 스택(14)으로 공기를 공급할 수 있도록 연결된다.
본 발명의 연료 전지 시스템에서, 연료는 탑재와 저장이 용이한 탄화수소 계열의 연료, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 포함한다. 그러나 상기한 연료는 위와 같은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스에 물이 혼합된 것일 수도 있으며, 이하에서 편의상 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스를 액상의 연료라 한다.
상기한 연료 공급부(10)와 공기 공급부(12)로부터 연료 및 공기를 공급받아 스택(14)은 전기를 발생시킨다.
도 2는 본 발명에 따른 스택의 제1 실시예를 분해 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 스택의 제1 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이다.
이 도면들을 참조하여 스택(14)을 설명하면, 이 스택(14)은 개질기(16)를 통하여 공급되는 개질된 수소 가스와 공기 공급부(12)로부터 공급되는 공기를 전기 화학적인 반응으로 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(24)들을 다수로 구비하고 있다. 이 전기 발생부(24)는 각각 전기를 발생시키는 단위의 셀(cell)을 의미하며, 수소 가스와 공기를 산화/환원시키는 MEA(26)와 수소 가스와 공기를 각각 MEA(26)로 공급하는 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 한다)(28)로 형성된다. 이 전기 발생부(24)는 MEA(26)를 중심에 두고 이의 양측에 배치되는 세퍼레이터 (28)로 형성된다. 이와 같은 전기 발생부(24)들을 연속적으로 배치하여 하나의 연료 전지를 구성하게 된다.
상기 MEA(26)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 구조로 이루어진다. 애노드 전극은 세퍼레이터(28)를 통해 수소 가스를 공급받는 부분으로서, 산화 반응에 의해 수소 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer)으로 구성된다. 캐소드 전극은 세퍼레이터(28)를 통해 공기를 공급받는 부분으로서 환원 반응에 의해 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 그 두께가 50～200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
이와 같이 구성되는 전기 발생부(24)는 다음의 반응식과 같은 반응에 따라 전기와 물 그리고 열을 생성시킨다.
애노드 전극 반응: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극 반응: O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체 반응: H2 + O2 → H2O + 전류 + 열
즉, 세퍼레이터(28)를 통해 MEA(26)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되 고 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 이 수소 가스는 애노드 전극으로 흘러 촉매층에서 전자와 수소 이온으로 분해된다. 이 수소 이온이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에서 전자와 산소 이온 그리고 이동된 수소 이온이 합쳐져 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동됨에 따라 전기 발생부(24)는 전기를 발생시킨다.
상기 스택(14)은 그 일측으로 연료 및 공기가 공급되고 다른 일측으로 미반응 연료 및 공기가 배출되도록 구성된 것을 예시하면서, 일측으로 공급되는 연료 및 공기가 스택(14) 내에서 일측 세퍼레이터(28)에서 다른 세퍼레이터(28)로 어떻게 공급 순환되는 지에 대한 구체적인 구성을 생략하고 있으며, 이에 대한 구성은 공지의 것이 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제1 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제1 실시예를 조립하여 단면 도시한 단면도이다.
이 도면들을 참조하여 세퍼레이터(28)를 설명하면, 본 발명의 세퍼레이터(28)는 수소를 포함하는 연료가 공급되는 연료통로(30)를 형성하는 제1 세퍼레이터(28a)와, 산소를 포함하는 공기가 공급되는 공기통로(32)를 형성하는 제2 세퍼레이터(28b)로 구성되어, 그 양측에 연료통로(30)와 공기통로(32)를 각각 구성하고 있다. 즉 하나의 세퍼레이터(28)는 연료통로(30)와 공기통로(32)를 함께 구비한다.
이 제1, 제2 세퍼레이터(28a, 28b)는 접착성 수지(28c)에 의하여 합착되어 일체로 형성되는 세퍼레이터(28)와 MEA(26)를 포함하는 스택(14)의 부피를 작게 하기 위하여 서로 다른 재질로 형성된다. 즉 제1 세퍼레이터(28a)는 수소를 포함한 연료가 공급되므로 부식의 우려가 적기 때문에 금속으로 형성하여 부피를 작게 하고, 제2 세퍼레이터(28b)는 산소를 포함한 공기가 공급되어 부식의 우려가 많기 때문에 내부식성이 큰 카본 합성물로 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 제1 세퍼레이터(28a)는 연료통로(30)를 형성하여 수소가 공급되는 MEA(26)의 애노드 전극 측에 위치하고, 제2 세퍼레이터(28b)는 공기통로(32)를 형성하여 산소가 공급되는 MEA(26)의 캐소드 전극 측에 위치하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명에 따른 제1 세퍼레이터의 단면도이다.
이 도면을 참조하여 제1 세퍼레이터(28a)를 설명하면, 제1 세퍼레이터(28a)는 판상의 금속을 프레스 가공하여 상기한 연료통로(30)를 형성한다. 이 제1 세퍼레이터(28a)는 스테인레스강으로 형성되거나, Ti, Al, 또는 Cr을 20%이상 함유한 금속으로 형성하여, 산소에 비하여 부식성이 낮은 연료, 즉 수소가 공급되지만 내부식성을 가지게 하는 것이 바람직하다.
더욱이, 이 제1 세퍼레이터(28a)는 그 표면에 금, 은, 도전성 탄소, 무기화합물, 붕화물, 또는 수지 도전층과 같은 코팅층(34)을 구비하여, 내부식성을 향상시키면 더 좋다.
도 7은 본 발명에 따른 제2 세퍼레이터의 단면도이다.
이 도면을 참조하여, 제2 세퍼레이터(28b)를 설명하면, 카본 합성물을 성형하여 상기한 공기통로(32)를 형성한다. 이 제2 세퍼레이터(28b)는 탄소분말을 열경 화성수지와 혼합하여 성형하거나, 열가소성수지와 혼합하여 성형함으로써 이의 성형성을 좋게 하고, 공기, 즉 산소가 공급되는 공기통로(32)의 부식을 방지하게 된다. 여기에 사용되는 탄소분말에는 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연, 또 비결정 탄소가 있으며, 이들은 한 가지 또는 두 가지 이상 혼합 사용될 수 있다. 또한, 이 제2 세퍼레이터(28b)는 금속판(36)과 이 금속판(36) 위에 사출 성형된 카본 합성물(38)로 형성될 수도 있다. 이 금속판(36)은 제2 세퍼레이터(28b)의 기계적 강도를 향상시키면서도 공기통로(32)를 통과하는 공기에 의하여 부식되지 않게 하면서, 제2 세퍼레이터(28b)를 카본 합성물(38)로만 성형하는 것에 비하여 두께를 저감시키게 된다.
상기와 같이 구성되는 연로 전지 시스템, 스택(14), 및 세퍼레이터(28)는 다양한 구조로 변형이 가능하므로 상기 구성과 비교하여 몇 가지 구성을 간단히 예시한다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 스택의 제2 실시예를 분해 도시한 사시도 및 이를 분해하여 회전 도시한 사시도로써 도 2 및 도 3의 제1 실시예에 대응되고, 도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제2 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도 및 이를 조립하여 단면 도시한 단면도로써, 도 4 및 도 5의 제1 실시예에 대응되며, 양자들의 작용 효과 또한 유사하게 대응된다.
따라서, 양자의 구성을 비교 설명하면, 제1 실시예의 세퍼레이터(28)는 제1, 제2 세퍼레이터(28a, 28b)에서 동일 방향으로 연료(수소) 및 공기(산소)를 공급하는 데 비하여, 제2 실시예의 세퍼레이터(28)는 제1, 제2 세퍼레이터(28a, 28b)에서 서로 직각 방향으로 연료(수소) 및 공기(산소)를 공급되는 차이가 있으며, 이로 인하여 MEA(26)에서의 전기 화학적 반응이 보다 효과적으로 일어나게 된다.
도 12는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 일측에 형성된 통로의 제1 실시예의 평면도로써, 상기한 공기를 MEA(26)의 일측으로 공급하는 공기통로(30)가 제1 세퍼레이터(28a)의 일측에, 연료를 MEA(26)의 다른 일측으로 공급하는 연료통로(32)가 제2 세퍼레이터(28b)의 일측에 각각 하나의 라인으로 연속적 형성된 것을 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 세퍼레이터의 일측에 형성된 통로의 제2 실시예의 평면도로써, 상기한 공기통로(30)가 제1 세퍼레이터(28a)의 일측에, 연료통로(32)가 제2 세퍼레이터(28b)의 일측에 각각 복수의 라인으로 연속 형성된 것을 도시한다.
도 13의 실시예는 도 12의 실시예에 비하여 한 통로의 길이를 짧게 하므로 연료 공급부(10)의 연료 펌프(20) 및 공기 공급부(12)의 공기 펌프(22)의 구동에 소요되는 동력을 저감시킬 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.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템 및 그 스택과 세퍼레이터에 의하면, 연료 통로와 공기통로를 형성하는 제1, 제2 세퍼레이터를 금속 및 카본 합성물로 각각 성형함으로써 카본 합성물에 의하여 부식을 방지하면서 금속에 의하여 부피를 저감시키는 효과가 있다.

Claims (35)

  1. 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부;
    산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 및
    상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 전극-전해질 합성체(MEA)의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부를 다수로 구비하는 스택을 포함하고,
    상기 세퍼레이터는, 그 일측에 연료가 공급되는 연료통로를 형성하는 제1 세퍼레이터와, 다른 일측에 공기가 공급되는 공기통로를 형성하는 제2 세퍼레이터를 포함하며,
    상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터는 서로 다른 재질로 형성되고,
    상기 제1 세퍼레이터는 금속으로 형성되며 상기 연료통로와 인접하는 연료통로들 사이에 빈 공간을 분리 형성하며,
    상기 제2 세퍼레이터는 카본 합성물을 성형하여 공기통로를 형성하고,
    상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 접착성 수지로 합착되어 일체로 형성되며,
    상기 빈 공간은,
    상기 접착성 수지를 사이에 두고, 인접하는 상기 공기통로들 사이에 대응하는 연료 전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터는 수소가 공급되는 MEA의 애노드 전극 측에 위치하고, 제2 세퍼레이터는 산소가 공급되는 MEA의 캐소드 전극 측에 위치하는 연료 전지 시 스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 형성되는 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터는 스테인레스강 또는 Ti, Al, Cr 중 어느 한 성분이 20%이상 함유된 금속으로 형성되는 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터의 표면은 금, 은, 도전성 탄소, 무기화합물, 붕화물, 수지 도전층 중 어는 하나와 같은 코팅층을 구비하는 연료 전지 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터는 탄소분말과 열경화성수지 또는 탄소분말과 열가소성 수지로 성형되는 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 탄소분말은 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연, 및 비결정 탄소 중 어느 하나 이상의 혼합물로 형성되는 연료 전지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터는 금속판과, 이 금속판 위에 사출 성형된 카본 합성물로 형성되는 연료 전지 시스템.
  11. 삭제
  12. 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부를 다수로 구비하고,
    상기 세퍼레이터는 그 일측에 연료가 공급되는 연료통로를 형성하는 제1 세퍼레이터와, 다른 일측에 공기가 공급되는 공기통로를 형성하는 제2 세퍼레이터를 포함하며,
    상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터는 서로 다른 재질로 형성되고,
    상기 제1 세퍼레이터는 금속으로 형성되며 상기 연료통로와 인접하는 연료통로들 사이에 빈 공간을 분리 형성하며,
    상기 제2 세퍼레이터는 카본 합성물을 성형하여 공기통로를 형성하고,
    상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 접착성 수지로 합착되어 일체로 형성되며,
    상기 빈 공간은,
    상기 접착성 수지를 사이에 두고, 인접하는 상기 공기통로들 사이에 대응하는 연료 전지 시스템의 스택.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터는 수소가 공급되는 MEA의 애노드 전극 측에 위치하고, 제2 세퍼레이터는 산소가 공급되는 MEA의 캐소드 전극 측에 위치하는 연료 전지 시스템의 스택.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 형성되는 연료 전지 시스템의 스택.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터는 스테인레스강 또는 Ti, Al, Cr 중 어느 한 성분이 20%이상 함유된 금속으로 형성되는 연료 전지 시스템의 스택.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터의 표면은 금, 은, 도전성 탄소, 무기화합물, 붕화물, 수지 도전층 중 어는 하나의 코팅층을 구비하는 연료 전지 시스템의 스택.
  18. 삭제
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터는 탄소분말과 열경화성수지 또는 탄소분말과 열가소성수지로 성형되는 연료 전지 시스템의 스택.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 탄소분말은 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연, 및 비결정 탄소 중 어느 하나 이상의 혼합물로 형성되는 연료 전지 시스템의 스택.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터는 금속판과, 이 금속판 위에 사출 성형된 카본 합성물로 형성되는 연료 전지 시스템의 스택.
  22. 삭제
  23. 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 배치되어 전기 발생부를 구성하며,
    그 일측에 연료가 공급되는 연료통로를 형성하는 제1 세퍼레이터와, 다른 일측에 공기가 공급되는 공기통로를 형성하는 제2 세퍼레이터를 포함하며,
    상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터는 서로 다른 재질로 형성되고,
    상기 제1 세퍼레이터는 금속으로 형성되며 상기 연료통로와 인접하는 연료통로들 사이에 빈 공간을 분리 형성하며,
    상기 제2 세퍼레이터는 카본 합성물을 성형하여 공기통로를 형성하고,
    상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터는 접착성 수지로 합착되어 일체로 형성되며,
    상기 빈 공간은,
    상기 접착성 수지를 사이에 두고, 인접하는 상기 공기통로들 사이에 대응하는 연료 전지 시스템의 세퍼레이터.
  24. 삭제
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터는 수소가 공급되는 MEA의 애노드 전극 측에 위치하고, 제2 세퍼레이터는 산소가 공급되는 MEA의 캐소드 전극 측에 위치하는 연료 전지 시스템의 세퍼레이터.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 형성되는 연료 전지 시스템의 세퍼레이터.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터는 스테인레스강 또는 Ti, Al, Cr 중 어느 한 성분이 20%이상 함유된 금속으로 형성되는 연료 전지 시스템의 세퍼레이터.
  28. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터의 표면은 금, 은, 도전성 탄소, 무기화합물, 붕화물, 수지 도전층 중 어는 하나의 코팅층을 구비하는 연료 전지 시스템의 세퍼레이터.
  29. 삭제
  30. 제 23 항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터는 탄소분말과 열경화성수지 또는 탄소분말과 열가소성수지로 성형되는 연료 전지 시스템의 세퍼레이터.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 탄소분말은 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연, 및 비결정 탄소 중 어느 하나 이상의 혼합물로 형성되는 연료 전지 시스템의 세퍼레이터.
  32. 제 23 항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터는 금속판과, 이 금속판 위에 사출 성형된 카본 합성물로 형성되는 연료 전지 시스템의 세퍼레이터.
  33. 삭제
  34. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터에 형성된 연료통로와 제2 세퍼레이터에 형성된 공기통로는 서로 동일 방향 또는 직각 방향으로 배치되는 연료 전지 시스템의 세퍼레이터.
  35. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터에 형성된 연료통로 또는 제2 세퍼레이터에 형성된 공기 통로는 하나 이상의 개수로 형성되는 연료 전지 시스템의 세퍼레이터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH11297338A (ja) * 1998-04-10 1999-10-29 Nisshinbo Ind Inc 固体高分子型燃料電地用セパレータ及びその製造方法
JP2002313361A (ja) * 2001-04-07 2002-10-25 Daimlerchrysler Ag 電気化学的な電池スタック
JP2003187854A (ja) * 2001-12-21 2003-07-04 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11297338A (ja) * 1998-04-10 1999-10-29 Nisshinbo Ind Inc 固体高分子型燃料電地用セパレータ及びその製造方法
JP2002313361A (ja) * 2001-04-07 2002-10-25 Daimlerchrysler Ag 電気化学的な電池スタック
JP2003187854A (ja) * 2001-12-21 2003-07-04 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池

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