KR101181821B1 - 연료 전지 시스템 및 그 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 다수의 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어진 스택과, 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원과, 상기 전기 발생부에 히트 캐리어를 제공하는 히트 캐리어 공급원을 포함하며,
상기 스택은 서로 이웃하는 전기 발생부 사이에 상기 히트 캐리어를 통과시키기 위한 쿨링 통로를 형성하며, 이 경우 상기 쿨링 통로는 상기 전기 발생부에 대하여 수소와 산소의 주입부 측으로부터 배출부 측으로 갈수록 상기 히트 캐리어의 유동 면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있다.
연료전지, 스택, 전기발생부, 열, 냉각, 연료공급원, 산소공급원, 히트캐리어, 히트캐리어공급원, 쿨링통로

Description

연료 전지 시스템 및 그 스택 {FUEL CELL SYSTEM AND STACK OF THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 스택의 제1 실시예를 분해 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.
도 4는 도 2에 도시한 세퍼레이터의 쿨링 통로를 나타내 보인 평면 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시한 스택의 제2 실시예를 분해 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시한 쿨링 플레이트의 쿨링 통로를 나타내 보인 평면 구성도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템 및 그 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택의 냉각 구조를 개선한 연료 전지 시스템 및 그 스택에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 전기 화학적인 반응 을 통해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.
상기와 같은 연료 전지 시스템은 전기를 실질적으로 발생시키기 위한 스택을 구비한다. 이 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 당업계에서 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 칭하는 세퍼레이터(Separator)로 이루어지는 단위의 셀을 수 개 내지 수십 개로 연속 배치한 구조로 이루어진다. 이 때 상기 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 수소와 산소를 MEA로 공급하는 수소통로 및 산소통로를 형성하고 있다.
이러한 연료 전지 시스템은 수소와 산소의 환원 반응에 의하여 소정 온도의 열이 발생하게 되는 바, 스택을 적정한 구동 온도로 유지하여야 전해질막의 안정성을 보장하고 성능 저하를 방지하게 된다. 이를 위해 스택은 내부에 쿨링 통로를 구비하고, 이 쿨링 통로를 통하여 저온의 히트 캐리어 예컨대, 공기 또는 냉각수를 흘려 스택 내부에서 발생되는 열을 냉각시킨다.
그런데 종래의 연료 전지 시스템에 의하면, 스택의 구동시 수소 통로와 산소 통로의 배출부 측 보다는 주입부 측의 MEA에서 수소와 산소의 반응이 활발하게 이루어지는 바, 전체 스택에 대해 세퍼레이터의 주입부 측과 배출부 측에서 온도 편차가 발생하게 된다. 그리고 종래의 연료 전지 시스템에 의한 냉각 구조에 있어 상기 쿨링 통로는 스택의 열 발생 부위에 대한 히트 캐리어의 단위 면적당 접촉 면적이 동일하도록 형성되고 있다. 이로 인해 전술한 바와 같은 전체 스택의 온도 편차를 줄일 수 없게 되어 결과적으로 스택의 냉각 효율 및 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 스택의 냉각 효율 및 성능을 향상시키도록 스택의 내부로 히트 캐리어를 통과시키는 쿨링 통로의 구조를 개선한 연료 전지 시스템 및 그 스택을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 다수의 전기 발생부로 이루어지는 것으로서, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 히트 캐리어를 통과시키는 쿨링 통로를 형성하며, 이 경우 상기 쿨링 통로는 상기 전기 발생부에 대하여 수소와 산소의 주입부 측으로부터 배출부 측으로 갈수록 상기 히트 캐리어의 유동 면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 구성되고, 상기 세퍼레이터의 상측에 상기 주입부를 형성하고, 하측에 상기 배출부를 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 세퍼레이터에 상기 쿨링 통로를 형성할 수 있다. 이 경우 상기 쿨링 통로는 상기 세퍼레이터의 일면과 이 세퍼레이터에 대향 밀착되는 이웃하는 세퍼레이터의 접면에 채널 형태로 형성되어 두 채널이 합쳐져 하나의 구멍을 이루며, 상기 세퍼레이터의 MEA 반대측에 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되는 쿨링 플레이트를 포함하고, 상기 쿨링 플레이트에 상기 쿨링 통로를 형성할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 쿨링 통로는 한 쪽 단부에 유입구를 형성하고 다른 한 쪽 단부에 유출구를 형성하며, 상기 유입구가 상기 세퍼레이터의 주입부 측에 위치하고 상기 유출구가 상기 세퍼레이터의 배출부 측에 위치하는 구조로 되어 있다. 이 경우 상기 쿨링 통로는 상기 유입구에서 유출구로 갈수록 히트 캐리어의 유동 경로가 점차 좁아지도록 구성되는 것이 바람직하다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 다수의 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어진 스택과, 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원과, 상기 전기 발생부에 히트 캐리어를 제공하는 히트 캐리어 공급원을 포함하며,
상기 스택은 서로 이웃하는 전기 발생부 사이에 상기 히트 캐리어를 통과시키기 위한 쿨링 통로를 형성하며, 이 경우 상기 쿨링 통로는 상기 전기 발생부에 대하여 수소와 산소의 주입부 측으로부터 배출부 측으로 갈수록 상기 히트 캐리어의 유동 면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 히트 캐리어로서 공기를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 구성되고, 상기 세퍼레이터의 상측에 상기 주입부를 형성하고, 하측에 상기 배출부를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 쿨링 통로는 상기 세퍼레이터의 일면과 이 세퍼레이터에 대향 밀착되는 이웃하는 세퍼레이터의 접면에 채널 형태로 형성되어 두 채널이 합쳐져 하나의 구멍을 이루는 구조로 되어 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 개재되는 쿨링 플레이트를 포함하고, 상기 쿨링 플레이트에 상기 쿨링 통로를 형성할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급원이 상기 전기 발생부로 수소 가스를 공급하거나 액상의 연료를 공급하는 구조로 되어 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 산소 공급원이 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 구조로 되어 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 개략 적으로 도시한 블록도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 수소를 함유한 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 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 통칭한다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료라고 정의한다.
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 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택(16)과, 전술한 바 있는 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택(16)으로 공급하는 연료 공급원(10)과, 공기를 스택(16)으로 공급하는 산소 공급원(12)을 포함한다.
이 스택(16)은 연료 공급원(10)과 산소 공급원(12)에 연결 설치되어 이 연료 공급원(10)으로부터 상기 수소 가스를 공급받고, 산소 공급원(12)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소 가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지로 구성된다.
상기한 연료 공급원(10)은 전술한 바 있는 연료를 저장하는 연료 탱크(22)와, 소정의 펌핑력으로 연료 탱크(22)에 저장된 연료를 배출시키는 연료 펌프(24)와, 연료 탱크(22)로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 스택(16)으로 공급하는 개질기(18)를 포함한다.
그리고 산소 공급원(12)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하고, 이 공기를 스택(16)으로 공급하는 통상적인 구조의 공기 펌프(26)를 포함하고 있다.
상기 연료 공급원(10)에 있어 개질기(18)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기 구조를 갖는다. 부연 설명하면, 상기 개질기(18)는 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 개질기(18)는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다. 상기와 같은 개질기(18)는 통상적인 개질기의 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.
대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기한 연료를 직접 스택(16)으로 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 위와 같은 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 연료 공급원(10)에 있어 연료 탱크(22)와 연료 펌프(24)를 구비할 뿐, 개질기(18)를 필요로 하지 않는다. 이하에서는 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시 개질기(18)를 통해 발생되는 수소 가스와 공기 펌프(26)에 의해 흡입되는 공기를 스택(16)으로 공급하게 되면, 상기 스택(16)에서는 수소 가스 중의 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.
본 발명에 있어 상기한 스택(16)을 구성하는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1에 도시한 스택의 제1 실시예를 분해 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.
이 도면을 참조하여 스택(16)을 설명하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(16)은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한다.)(32)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(34)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부(30)를 포함하여 이루어진다. 따라서 위와 같은 전기 발생부(30)를 복수로 구비하고 이들을 연속적으로 밀착 배치함으로써 본 실시예에 의한 전기 발생부(30)의 집합체 구조인 스택(16)을 형성할 수 있다.
상기 MEA(32)는 일면에 애노드 전극이 위치하고 다른 일면에 캐소드 전극(도시하지 않음)이 위치하며, 상기 두 전극 사이에 전해질막(도시하지 않음)을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 수소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온을 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 전해질막은 두께가 50～200㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.
그리고 세퍼레이터(34)는 MEA(32)를 사이에 두고 서로 밀착 배치되어, 개질기(18: 도 1)로부터 공급되는 수소 가스와 공기 펌프(26: 도 1)에 의해 공급되는 공기를 MEA(32)의 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 공급하는 기능 외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다. 이 때 상기 세퍼레이터(34)는 MEA(32)에 밀착되는 면의 반대쪽 면이 이웃하는 전기 발생부(30)의 세퍼레이터(34)의 MEA(32) 반대쪽 면에 대향 밀착되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이에 더하여 상기 각각의 세퍼레이터(34)에는 MEA(32)의 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하기 위한 수소 통로(36)와, MEA(32)의 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 공기 통로(38)을 형성하고 있다. 그리고 상기 각각의 세퍼레이터(34)에는 수소 통로(36)와 공기 통로(38)로 수소 가스와 공기를 주입시키기 위한 주입부(39a)와, 각각의 통로(36, 38)를 통과하면서 MEA(32)에 대하여 반응하고 남은 수소 가스와 공기를 배출시키기 위한 배출부(39b)를 형성하고 있다. 이 때 상기 수소 가스와 공기를 수소 통로(36)와 공기 통로(38)를 통해 중력 방향으로 유동시키는 점을 감안할 때, 상기 주입부(39a)는 세퍼레이터(34)의 상측에 형성되고, 상기 배출부(39b)는 세퍼레이터(34)의 하측에 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시 전체 스택(16)의 전기 발생부(30)에서는 전술한 바 있는 수소와 산소의 환원 반응에 의해 열이 발생하게 된다. 이 열은 MEA(32)를 건조시켜 스택(16)의 성능을 저하시키는 요인으로 작용한다.
이에 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 히트 캐리어를 스택(16) 내부로 순환시켜 전기 발생부(30)에서 발생하는 열을 냉각시키는 구조로 이루어진다.
이를 위하여, 본 시스템(100)은 상기 히트 캐리어를 스택(16) 내부로 공급하는 히트 캐리어 공급원(14)과, 히트 캐리어 공급원(14)으로부터 공급되는 히트 캐리어를 상기 전기 발생부(30)로 흘려 줄 수 있도록 서로 이웃하는 전기 발생부(30) 사이에 형성되는 쿨링 통로(41)를 구비한다.
히트 캐리어 공급원(14)은 히트 캐리어를 흡입하여 이 히트 캐리어를 전기 발생부(30)로 공급하는 구조로 이루어진다. 본 발명에서 상기 히트 캐리어는 액체 상태의 냉각수일 수도 있으나 기체 상태인 것이 보다 더 바람직하다. 따라서 자연 상태에서 쉽게 취할 수 있고 구동 중 스택(16) 내부의 온도 보다 낮은 공기가 히트 캐리어로 사용될 수 있다. 이에 상기 히트 캐리어 공급원(14)은 소정 회전력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 전기 발생부(30)로 공급하는 팬(28)을 포함한다. 이 때 상기 팬(28)은 도 3에 가상선으로 도시한 바와 같이, 스택(16) 전체를 감싸는 하우징(17)에 설치되어 스택(16) 전체로 공기를 분출시키는 것이 바람직하다.
그리고 상기 쿨링 통로(41)는 서로 이웃하는 전기 발생부(30)에 대해 상호 대향 밀착되는 세퍼레이터(34)의 밀착면에 각각 형성되는 채널(41a)에 의하여 형성될 수 있다. 이 때 상기 채널(41a)은 하나의 전기 발생부(30)에 대해 세퍼레이터(34)의 MEA(32)에 밀착되는 면의 반대쪽 면과, 이 세퍼레이터(34)에 대향 밀착되는 이웃하는 전기 발생부(30)의 세퍼레이터(34) 접면에 각각 형성될 수 있다. 따라서 하나의 전기 발생부(30)의 세퍼레이터(34)와, 이 전기 발생부(30)에 이웃하는 다른 하나의 전기 발생부(30)의 세퍼레이터(34)가 서로 마주 보는 형태로 밀착되는 과정에서 상기 채널(41a)이 합체됨으로써 본 실시예에 의한 쿨링 통로(41)를 형성할 수 있다. 이렇게 형성되는 쿨링 통로(41)는 세퍼레이터(34)의 MEA(32) 반대측에 형성되어, MEA(32)의 전 영역, 즉 활성 영역과 비활성 영역에 걸쳐 냉각 작용하므로 우수한 냉각 성능을 가진다.
도 4는 도 2에 도시한 세퍼레이터의 쿨링 통로를 나타내 보인 평면 구성도이다.
도 2 및 도 4를 참고하면, 본 실시예에 의한 상기 쿨링 통로(41)는 전체 스택(16)에 대한 세퍼레이터(34)의 주입부(39a)와 배출부(39b)를 기준으로, 이 주입부(39a)에서 배출부(39b)를 향하는 방향으로 다수 형성되며, 상기한 방향을 따라 히트 캐리어의 유동 단면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있다.
그리고 상기 쿨링 통로(41)는 한 쪽 단부를 통해 히트 캐리어를 주입하고, 다른 쪽 단부를 통해 상기 히트 캐리어를 배출시키는 구조로 이루어진다. 즉, 상기 쿨링 통로(41)는 서로 밀착되는 세퍼레이터(34)의 어느 한 쪽 가장자리변에 상기 히트 캐리어를 주입시키기 위한 다수의 유입구(41b)를 형성하고, 상기 가장자리변에 대응되는 다른쪽 가장자리변에 상기 히트 캐리어를 배출시키기 위한 다수의 유출구(41c)를 형성하고 있다. 이 때 상기 유입구(41b)는 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측에 위치하고, 상기 유출구(41c)는 세퍼레이터(34)의 배출부(39b) 측에 위치하는 것이 바람직하다. 따라서 본 실시예에 의한 상기 쿨링 통로(41)는 유입구(41b)의 단면적이 유출구(41c)의 단면적 보다 크며, 이 유입구(41b)에서 유출구(41c)로 갈수록 히트 캐리어의 유동 경로가 점차 좁아지는 형태로 이루어진다.
상기 쿨링 통로(41)를 위와 같은 구조로 형성하는 이유는, 스택(16)의 구동시 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측에서 수소와 산소의 산화/환원 반응이 활발하게 이루어지는 바, 이에 따라 전체 스택(16)에 대해 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측과 배출부(39b) 측에서 온도 편차가 발생하기 때문에, 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측과 배출부(39b) 측에 대한 히트 캐리어의 단위 면적당 접촉 면적을 변화시켜 전체 스택(16)의 온도 분포를 균일하게 유지시키기 위함이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용을 살펴 보면, 스택(16)을 통해 전기를 발생시키는 도중, 전기 발생부(30)에서는 수소와 산소의 환원 반응에 의하여 열이 발생하게 된다. 이 때 상기 스택(16)은 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측에서 수소와 산소의 산화/환원 반응이 활발하게 이루어지기 때문에, 전체 스택(16)에 대해 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측과 배출부(39b) 측 에서 온도 편차가 발생하게 된다.
이러한 상태에서 히트 캐리어 공급원(14)을 통해 본 실시예에 의한 쿨링 통로(41)로 히트 캐리어를 흘려 주게 되면, 상기 히트 캐리어는 쿨링 통로(41)를 통과하면서 상기한 열을 냉각시킨다.
이 때 본 실시예에 의한 상기 쿨링 통로(41)는 유입구(41b)에서 유출구(41c)로 갈수록 히트 캐리어의 유동 경로가 점차 좁아지는 형태를 취하고 있기 때문에, 이 쿨링 통로(41)를 통해 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측을 통과하는 히트 캐리어와 세퍼레이터(34)에 대한 실질적인 접촉 면적이 증대되고, 상기 쿨링 통로(41)를 통해 세퍼레이터(34)의 배출부(39b) 측을 통과하여 유출구(41c)를 통해 배출되는 히트 캐리어와 세퍼레이터(34)에 대한 실질적인 접촉 면적이 감소된다.
따라서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 스택(16) 전체에 대해 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측에서 발생하는 열 에너지와 히트 캐리어에 대한 단위 시간당 열 교환량을 극대화시키고, 세퍼레이터(34)의 주입부(39b) 측에서 발생하는 열 에너지와 히트 캐리어에 대한 단위 시간당 열 교환량을 감소시킴으로써 전체적인 스택(16)의 온도 분포를 균일하게 유지시킬 수 있게 된다.
도 5는 도 1에 도시한 스택의 제2 실시예를 분해 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시한 쿨링 플레이트의 쿨링 통로를 나타내 보인 평면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 스택(16A)은 서로 이웃하는 전기 발생부(30A)의 세퍼레이터(34A) 사이에 쿨링 플레이트(43)를 설치하고, 이 쿨링 플레이트(43)에 히트 캐리어를 유통시키기 위한 쿨링 통로(45)를 형성하는 구조로 되어 있 다. 이러한 쿨링 플레이트(43)는 상기 전기 발생부(30A)의 전기 발생시 세퍼레이터(34A)로 전달되는 열을 방출시키는 방열판의 기능을 하게 된다. 상기 쿨링 플레이트(43)는 열전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 철 소재 등으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 쿨링 통로(45)는 전체 스택(16A)에 대한 히트 캐리어의 원활한 유통을 위해 쿨링 플레이트(43)의 서로 대응되는 어느 한 쪽 가장자리 변에서 다른 한 쪽 가장자리 변으로 관통 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 쿨링 통로(45)는 쿨링 플레이트(43)의 상단측 가장자리변에 히트 캐리어를 주입시키기 위한 다수의 유입구(45a)를 형성하고, 이에 대응되는 하단측 가장자리변에 상기 히트 캐리어를 배출시키기 위한 다수의 유출구(45b)를 형성하고 있다. 전기 실시예와 마찬가지로, 상기 쿨링 통로(45)의 유입구(45a)는 전체 스택(16A)에 대한 세퍼레이터(34A)의 주입부(39a) 측에 위치하고, 유출구(45b)는 세퍼레이터(34A)의 배출부(39b) 측에 위치한다. 그리고 상기 쿨링 통로(45)는 전기 실시예에서와 같이, 유입구(45a)의 단면적이 유출구(45b)의 단면적 보다 크며 유입구(45a)에서 유출구(45b)로 갈수록 히트 캐리어의 유동 경로가 점차 좁아지는 형태를 취하고 있다.
본 실시예에 의한 스택(16A)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
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 범 위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 세퍼레이터에 대하여 히트 캐리어의 접촉 면적이 변화되도록 구성되는 쿨링 통로를 형성함에 따라, 스택 전체의 온도 편차를 줄여 스택의 냉각 효율 및 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 다수의 전기 발생부로 이루어지는 연료 전지 시스템용 스택에 있어서,
    서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 히트 캐리어를 통과시키는 쿨링 통로를 형성하며,
    상기 쿨링 통로는 상기 전기 발생부에 대하여 수소와 산소의 주입부 측으로부터 배출부 측으로 갈수록 상기 히트 캐리어의 유동 면적이 점차 작아지도록 이루어지고,
    상기 전기 발생부는 세퍼레이터(Separator)를 포함하고, 상기 세퍼레이터에 상기 주입부와 상기 배출부가 형성되며,
    상기 쿨링 통로는, 한 쪽 단부에 유입구를 형성하고 다른 한 쪽 단부에 유출구를 형성하며, 상기 유입구가 상기 세퍼레이터의 주입부 측에 위치하고, 상기 유출구가 상기 세퍼레이터의 배출부 측에 위치하고,
    상기 쿨링 통로는 상기 유입구에서 유출구로 갈수록 히트 캐리어의 유동 경로가 점차 좁아지도록 구성된 연료 전지 시스템용 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 구성되고,
    상기 세퍼레이터의 상측에 상기 주입부를 형성하고, 하측에 상기 배출부를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터에 상기 쿨링 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 쿨링 통로는 상기 세퍼레이터의 일면과 이 세퍼레이터에 대향 밀착되는 이웃하는 세퍼레이터의 접면에 채널 형태로 형성되어 두 채널이 합쳐져 하나의 구멍을 이루는 연료 전지 시스템용 스택.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 쿨링 통로는 상기 세퍼레이터의 MEA 반대측에 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
  6. 제 2 항에 있어서,
    서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되는 쿨링 플레이트를 포함하고, 상기 쿨링 플레이트에 상기 쿨링 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 다수의 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어진 스택;
    수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원;
    산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원; 및
    상기 전기 발생부에 히트 캐리어를 제공하는 히트 캐리어 공급원
    을 포함하며,
    상기 스택은 서로 이웃하는 전기 발생부 사이에 상기 히트 캐리어를 통과시키기 위한 쿨링 통로를 형성하며,
    상기 쿨링 통로는 상기 전기 발생부에 대하여 수소와 산소의 주입부 측으로부터 배출부 측으로 갈수록 상기 히트 캐리어의 유동 면적이 점차 작아지도록 이루어지고,
    상기 전기 발생부는 세퍼레이터(Separator)를 포함하고, 상기 세퍼레이터에 상기 주입부와 상기 배출부가 형성되며,
    상기 쿨링 통로는, 한 쪽 단부에 유입구를 형성하고 다른 한 쪽 단부에 유출구를 형성하며, 상기 유입구가 상기 세퍼레이터의 주입부 측에 위치하고, 상기 유출구가 상기 세퍼레이터의 배출부 측에 위치하고,
    상기 쿨링 통로는 상기 유입구에서 유출구로 갈수록 히트 캐리어의 유동 경로가 점차 좁아지도록 구성되는 연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 히트 캐리어가 공기인 연료 전지 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 구성되고,
    상기 세퍼레이터의 상측에 상기 주입부를 형성하고, 하측에 상기 배출부를 형성하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 쿨링 통로는 상기 세퍼레이터의 일면과 이 세퍼레이터에 대향 밀착되는 이웃하는 세퍼레이터의 접면에 채널 형태로 형성되어 두 채널이 합쳐져 하나의 구멍을 이루는 연료 전지 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서,
    서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 개재되는 쿨링 플레이트를 포함하고, 상기 쿨링 플레이트에 상기 쿨링 통로를 형성하는 연료 전지 시스템.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 공급원이 상기 전기 발생부로 수소 가스를 공급하는 구조의 연료 전지 시스템.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 공급원이 상기 전기 발생부로 액상의 연료를 공급하는 구조의 연료 전지 시스템.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 산소 공급원이 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 구조의 연료 전지 시스템.
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