KR101256072B1 - 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 전해질 막, 전해질 막의 제1 면 상에 위치하는 애노드 전극 및 전해질 막의 제1 면의 반대측의 제2 면에 위치하는 캐소드 전극을 포함하는 하나 이상의 막-전극 접합체 및 전해질막에 전도성 물질을 공급하는 하나 이상의 공급 부재를 포함한다.

Description

연료 전지 스택 {FUEL CELL STACK}
본 기재는 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막-전극 접합체(MEA)에 일정한 양의 전도성 물질을 공급하기 위한 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료 전지 스택은 복수의 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체들 사이에 위치하는 세퍼레이터('바이폴라 플레이트'라고도 한다)를 포함한다.
여기서, 막-전극 접합체는 전해질막과, 전해질막의 일측에 위치하는 애노드 전극과, 전해질막의 타측에 위치하는 캐소드 전극을 포함한다. 세퍼레이터는 애노드 전극을 향한 일면에 연료 채널을 형성하여 애노드 전극에 연료를 공급하고, 캐소드 전극을 향한 일면에 산화제 채널을 형성하여 캐소드 전극에 산화제를 공급한다. 그러면 애노드 전극의 수소 산화 반응과 캐소드 전극의 산소 환원 반응에 의해 전기 에너지가 발생하며, 열과 수분이 부수적으로 발생한다.
여기서, 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동 시키는 이온 교환 기능을 가진다. 고온용 막-전극 접합체에 사용되는 전해질막에서 이온을 교환 시키기 위한 전도성 물질은 인산(H3PO4)이 사용된다. 고온용 MEA는 일반적으로 PBI membrane에 인산(H3PO4)을 함침시켜 제작된다. 이때, 고온용 MEA의 최적의 성능을 구현시키기 위하여는 인산의 함침률이 약 300%(전해질막과 인산의 무게비)정도인 것으로 알려져 있다. 따라서, 전해질막의 무게보다 3배 이상의 무게의 인산(H3PO4)이 함침되면 전해질막의 기계적 강도가 낮아지게 되어 막-전극 접합체 제작 시 전해질막의 파손이 발생할 수 있다.
또한, 연료 전지를 장시간 운전하게 되면 전해질막의 인산이 캐소드 전극에서 생성된 물에 의해 외부로 유출되어 연료 전지의 성능이 떨어지게 된다.
본 발명의 일 측면은 연료 전지의 운전 중에 막-전극 접합체에 일정량의 전도성 물질을 공급하여, 전해질막에 과도한 인산을 함침시켜 발생될 수 있는 전해질막의 기계적 강도 저하를 방지할 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은, 연료 전지 운전 중에 막-전극 접합체에 일정량의 전도성 물질을 공급하여 연료 전지의 운전 효율을 높일 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은, 전해질 막, 전해질 막의 제1 면 상에 위치하는 애노드 전극 및 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대측의 제2 면에 위치하는 캐소드 전극을 포함하는 하나 이상의 막-전극 접합체 및 전해질막에 결합되어 전도성 물질을 공급하는 하나 이상의 공급 부재를 포함한다.
또한, 공급부재는, 전해질막의 제1 면과 접촉되는 제1 공급 부재와 전해질막의 제2 면과 접촉되는 제2 공급부재를 포함할 수 있다.
또한, 제1 공급 부재 및 제2 공급 부재 각각에는 관통구가 형성되고, 제1 공급 부재와 제2 공급 부재의 관통구들이 서로 연결될 수 있다.
또한, 관통구가 형성된 공급 부재들은 서로 연결되게 설치되어 연료 전지 스택 내부에 연결 통로가 형성될 수 있다.
또한, 연결 통로에는 전도성 물질이 공급되고, 전도성 물질은 인산(H3PO4)일 수 있다.
또한, 공급 부재는 관통구를 포함하고, 관통구 주위에 설치되는 하나 이상의 실링 부재를 포함 할 수 있다.
또한, 공급 부재들을 관통하는 회전체를 더 포함할 수 있다.
또한, 회전체는, 일측에 회전력을 전달받는 돌출부가 형성되고, 외주면에 돌출된 나선형 모양의 돌기가 형성될 수 있다.
또한, 회전체는, 일측에 회전력을 전달받은 돌출부가 형성되고, 돌출부의 반대측 일 측에 배치되는 하나 이상의 돌기를 포함할 수 있다.
또한, 공급 부재는, 막-전극 접합체의 외주면에 결합될 수 있다.
또한, 공급 부재는, 중공부를 포함하고 막-전극 접합체의 전해질막과 결합되는 하나 이상의 결합 홈이 형성될 수 있다.
또한, 막-전극 접합체에는 전도성 물질이 공급되고, 전도성 물질은 인산(H3PO4)일 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 측면에 따르면, 전해질막에 과도한 인산이 함침되어 발생할 수 있는 전해질막의 기계적 강도 저하를 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 연료 전지의 운전 중에 막-전극 접합체의 전해질막에 일정량의 전도성 물질을 공급하여 연료 전지의 운전 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 2는 도1의 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 연료 전지 스택 중 막-전극 접합체와 세퍼레이터가 결합된 것을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 IV-IV 선을 따라 잘라본 부분 단면도이다..
도 5는 도 4에 도시된 공급 부재와 전해질 막의 결합 상태를 설명하기 위해 도시한 개략도이다.
도 6은 도 5의 정면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예의 전해질 막의 다른 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예의 전해질 막의 또 다른 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에에 따른 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 제34실시예에 따른 전해질 막과 공급 부재의 결합 상태를 나타내는 부분 분해 사시도이다.
도 12는 도11의 연료 전지 스택의 결합상태를 나타내는 평면도이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예의 전해질 막과 공급 부재의 결합 상태의 다른 변형예를 나타내는 평면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 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. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이고, 도 2는 도1의 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 하나 이상의 막-전극 접합체(10)와, 막-전극 접합체들(10) 사이에 막-전극 접합체(10)에 밀착되게 배치되어, 복수의 막-전극 접합체(10)를 서로 이격되게 배치되게 하는 복수의 캐소드 측 세퍼레이터 (20), 애노드 측 세퍼레이터(30) 및 복수의 공급 부재(50)를 포함한다.
여기서, 하나의 막-전극 접합체(10)와 막-전극 접합체(10)에 밀착되어 서로 대향되게 배치되는 세퍼레이터(20, 30)들은 연료 전지 스택(100)에서 전기를 생성하기 위한 하나의 전기 생성 유닛(이하 단위 셀이라 한다)을 구성한다.
또한, 연료 전지 스택(100)은 한 쌍의 앤드 플레이트(40)가 최외곽에 위치한 단위 셀들에 밀착되게 배치되고, 복수의 지지대(43)와 엔드 플레이트(40)를 관통하는 볼트(44)와 같은 체결 수단에 의하여 견고하게 조립될 수 있다.
막-전극 접합체(10)는 전해질막(12)과 전해질막의 일면에 접하는 캐소드 전극(미도시) 및 전해질막(12)의 다른 일면에 접하는 애노드 전극(14)을 포함할 수 있다. 또한, 막-전극 접합체(10)에는 관통홀(11)이 형성 될 수 있다.
캐소드 측 세퍼레이터(20)의 가장자리에는 산화제 입구 매니폴드(22) 및 산화제 출구 매니폴드(23)가 형성될 수 있다. 또한, 세퍼레이터(20)에는 산화제 입구 매니폴드(22) 및 산화제 출구 매니폴드(23)와 연결되는 오목한 홈으로 이루어진 산화제 채널(24)이 형성될 수 있다. 따라서, 산화제 입구 매니폴드(22)로 유입된 산화제는 산화제 채널(24)를 통과하여 산화제 출구 매니폴드(23)로 배출될 수 있다. 또한, 캐소드 측 세퍼레이터(20)에는 막-전극 접합체(10)의 관통홀(11)과 대향되는 관통홀(21)이 형성될 수 있다.
또한, 애노드 측 세퍼레이터(30)의 가장자리에는 연료 입구 매니폴드(32) 및 연료 출구 매니폴드(33)가 형성될 수 있다. 여기서, 연료 입구 매니폴드(32)와 연료 출구 매니폴드(33)는 오목한 홈으로 이루어진 연료 채널(미도시)로 연결되어, 연료 입구 매니폴드(32)로 유입된 산화제는 연료 채널을 통과하여 연료 출구 매니폴드(33)로 배출될 수 있다. 또한, 애노드 측 세퍼레이터(30)에는 관통 홀(31)이 형성될 수 있다.
공급 부재(50)는 캐소드 측 세퍼레이터(20)에 형성된 관통홀(21)과 애노드 측 세퍼레이터(30)에 형성된 관통홀(31)에 삽입되어 막-전극 접합체(10)에 형성된 관통홀(11)에 서로 대향되게 설치된다. 따라서, 공급 부재(50)는 막-전극 접합체(10)에 형성된 관통홀(11) 주위로 돌출된 전해질 막(12)의 일부와 면 접촉 될 수 있다. 여기서, 공급 부재(50)에는 관통구가 형성될 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 단위 셀에는 한 쌍의 서로 대향되게 설치되는 공급 부재(50)가 포함될 수 있다.
또한, 도 1의 점선으로 표시된 부분을 참조하면, 관통구가 형성된 한 쌍의 공급 부재(50)가 설치된 복 수의 단위 셀들이 서로 밀착되게 배치되면, 공급 부재들(50)의 관통구가 연결되어 연료 전지 스택(100)의 내부를 관통하는 연결 통로가 형성될 수 있다.
연료 전지 스택(100)의 최외곽에 위치하는 애노드 측 세퍼레이터(30)에 밀착되게 배치되는 엔드 플레이트(40)에는 세퍼레이터(30)에 형성된 관통 홀(31)과 대향되게 형성되는 주입 홀(41)이 형성 될 수 있다. 이렇게 형성된 주입 홀(41)을 통하여 전도성 물질이 연료 전지 스택(100)의 내부에 형성된 연결 통로로 공급될 수 있다.
따라서, 연료 전지 스택(100)의 연결 통로에는 엔드 플레이트(40)에 형성된 주입 홀(41)로 공급된 전도성 물질이 채워질 수 있다. 여기서, 주입 홀 마개(45)는 주입 홀(41)에 삽입되어 연결 통로에 채워진 물질이 밖으로 새어 나오는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2에는 도시 되지 않았으나, 연료 전지 스택(100)의 가동 중에 전도성 물질이 손실되어 연료 전지 스택(100)의 성능이 저하 되는 것을 방지 하기 위하여, 외부에서 주입 홀(41)을 통하여 일정량의 전도성 물질 등을 공급할 수 도 있다.
연료 전지가 가동되면 전해질막(12)의 전도성 물질이 소비되어 전해질막(12)의 전도성 물질의 농도가 낮아질 수 있다. 따라서 연료 전지 스택(100)의 연결 통로에 채워진 전도성 물질은 농도가 낮아진 전해질 막(12)의 일부로 흡수될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 연료 전지 스택 중 막-전극 접합체와 세퍼레이터가 결합된 것을 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 IV-IV 선을 따라 잘라본 부분 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참고하여 설명하면, 막-전극 접합체(10)는 전해질막(12)과 전해질막(12)의 일면에 접하는 캐소드 전극(13)과 전해질막(12)의 다른 일면에 접하는 애노드 전극(14)을 포함한다.
캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터(20, 30)는 일측에 위치하는 막-전극 접합체(10)의 캐소드 전극(13)과 타측에 위치하는 막-전극 접합체(10)의 애노드 전극(14)을 직렬로 연결하는 전도체로 기능을 한다. 또한, 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터(20, 30)에는 캐소드 전극(13) 및 애노드 전극(14)을 향한 일면에 각 각 산화제 채널(24) 및 연료 채널(34)이 형성되어 산화제 및 연료를 공급 할 수 있다.
또한, 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터(20, 30)에는 막-전극 접합체(10)의 관통홀(11)에 대향하는 면에 관통홀(21, 31)이 형성될 수 있다.
보다 상세하게는, 캐소드 전극(13)은 산화제를 공급받는 부분으로서, 환원 반응에 의해 산소를 전자와 산소 이온으로 변환 시키는 촉매층(131)과, 촉매층(131)의 외면에 접하며 전자와 산소 이온의 이동을 원활하게 하는 가스 확산층(132)을 포함한다. 또한, 애노드 전극(14)은 연료를 공급받는 부분으로서, 산화 반응에 의해 연료 중의 수소를 전자와 수소 이온으로 변환 시키는 촉매층(141)과, 촉매층(141)의 외면에 접하며 전자와 수소 이온의 이동을 원활하게 하는 가스 확산층(142)을 포함한다. 또한, 전해질막(12)은 대략 50㎛ 내지 200㎛의 두께를 가지는 고체 폴리머 전해질일 수 있으며, 애노드 전극(14)의 촉매층(141)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(13)의 촉매층(131)으로 이동시키는 이온 교환 기능을 가진다.
또한, 막-전극 접합체(10)에 형성된 관통홀(11)은 전해질막(12)에 형성되는 관통홀(121), 캐소드 전극(13)에 형성되는 관통홀(13A) 및 애노드 전극(14)에 형성되는 관통홀(14A)을 포함할 수 있다. 여기서, 애노드 전극(14)에 형성되는 관통홀(13A)과 캐소드 전극(13)에 형성되는 관통홀(14A)의 직경(L1)은 공급 부재(50)의 관통구(51)의 직경(L2)과 같은 크기일 수 있고, 전해질막(12)에 형성되는 관통홀(121)의 직경(L3)의 크기는 공급 부재(50)의 관통구(51)의 직경(L1) 보다 더 작게 형성 될 수 있다.
따라서, 공급 부재(50))는 전해질막(12)의 관통홀(121)의 주위 부분으로 돌출된 부분과 면 접촉을 할 수 있게 된다.
공급 부재(50)는 각각 관통구(51)가 형성된 제1 공급 부재(53) 및 제2 공급 부재(54)를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 공급 부재(53, 54)는 캐소드 측 세퍼레이터(20)와 애노드 측 세퍼레이터(30)의 관통홀(21, 31)에 각각 삽입되어 서로 대향되게 설치될 수 있기 때문에, 제1 및 제2 공급 부재(53, 54)에 형성된 관통구(51)는 서로 연결될 수 있다. 결국, 공급 부재(50)를 관통하는 하나의 관통구(51)가 형성되는 것이 가능하다.
결국, 도1 에 도시된 연결 통로에 전도성 물질이 채워지게 되면, 공급 부재들(50)에 형성된 각 각의 관통구(51)와 대향되는 전해질막(12)에 전도성 물질이 공급될 수 있다.
여기서, 전도성 물질은 전해질막(12)이 사용되는 연료 전지의 종류에 따라, 인산(H2PO4), 물(H2O) 또는 KOH 중 하나 일 수 있다.
연료 전지 스택(100)이 가동되면 전도성 물질이 사용될 수 있기 때문에 그 농도가 낮아질 수 있다. 다만, 연결 통로와 전해질막(12)의 전도성 물질의 농도차이로 인하여 연결 통로에서 전해질막(12)으로 전도성 물질이 공급되는 것이 가능하다.
따라서, 막-전극 접합체의 전해질막(12)의 전도성 물질의 농도가 일정하게 유지 되는 것이 가능하다.
도 5는 도 4에 도시된 공급 부재와 전해질 막의 결합 상태를 설명하기 위해 도시한 개략도이고, 도 6은 도 5의 정면도이다.
도 5 및 6을 참고하여 공급부재(50)와 전해질막(12)의 결합 상태를 보다 자세히 설명하면, 전해질막(12)과 대향하는 공급부재(50)의 대향면에는 실링부재(52)가 설치될 수 있다. 따라서, 한 쌍의 공급부재(50)의 실링부재(52)가 전해질막(12)에 밀착되게 배치되어 공급부재(50)에 공급된 전도성 물질이 공급부재(50)와 전해질막(12)사이로 유출되는 것이 방지될 수 있다. 또한, 전해질막(12)과 대향하는 공급부재(50)의 대향면의 반대 측에도 실링부재(52)가 설치될 수 있다.
따라서, 단위셀들이 서로 밀착되게 배치될 때, 단위셀들 사이로 공급부재(50)에 공급된 전도성 물질이 공급부재(50) 외부로 유출되는 것이 방지될 수 있다.
다만, 실링부재(52)는 연료 전지 스택(100)의 엔드 플레이트(30)들에 대향하는 공급부재(50)의 대향면에는 설치되지 않을 수 있다. 즉, 도 2를 다시 참고하여 설명하면, 일 측에 배치되는 엔드 플레이트(40)와 대향되는 공급부재(50)의 대향면에는 관통구(51)가 형성되지 않을 수 있기 때문에, 전도성 물질의 유출을 방지하기 위한 실링부재(52)가 설치되지 않을 수 있다. 또한, 다른 일 측에 배치되는 엔드 플레이트(40)에는 전도성 물질 주입 홀(41)이 형성되어 공급부재(50)가 설치될 수 있기 때문에 전도성 물질의 유출 방지를 위한 실링부재(52)가 설치되지 않을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 연결 통로에 채워진 전도성 물질이 전해질막(12)에 직접 공급될 수 있으므로, 전해질막(12)에 일정량의 전도성 물질이 공급되는 것이 가능하다. 특히, 고온용 막-전극 접합체(10)의 전도성 물질로는 인산(H3PO4)이 사용 될 수 있다.
여기서, 인산(H3PO4)은 프로톤(proton) 전도체로서 사용 될 수 있다. 고온용 막-전극 접합체(10)의 전해질 막에 인산(H3PO4)이 포함되게 하기 위하여는 전해질막(12)을 인산(H3PO4)에 함침시키는 방법이 사용될 수 있다. 전해질막(12)에 함침된 인산(H3PO4)의 양이 많을 수록 전해질막을 통한 프로톤(proton) 전도는 효율적으로 발생될 수 있다. (예를 들어 전해질막의 무게와 인산(H3PO4)의 무게 비가 1:3 일 때) 다만, 전해질막의 무게보다 많은 양의 인산(H3PO4)을 함침시키게 되면, 전해질막의 강도가 낮아져 쉽게 파손될 수 있다.
따라서 본 실시예서와 같이, 전해질막의 인산(H3PO4)의 양이 일정하게 유지 될 수 있도록 공급 부재(50)에서 인산(H3PO4)을 공급한다면, 전해질막을 제작할 때 전해질막의 강도가 낮아 질 정도까지 인산을 함침시키지 않아도 된다. 따라서, 전해질막의 강도가 낮아지는 것을 방지할 수 있으며, 전해질막이 쉽게 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 연료 전지 스택(100)의 가동 시 발생하는 물과 함께 인산(H3PO4) 배출 되어 전해질막의 효율을 떨어뜨리는 것도 본 실시예서와 같이, 인산(H3PO4)을 일정하게 공급한다면 해결 될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예의 전해질 막의 다른 변형예를 나타내는 평면도이고, 도 8은 본 발명의 제1 실시예의 전해질 막의 또 다른 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 7 및 도 8를 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택들(101, 102)은 전해질막들(12A내지 12H)을 제외하고는 제 1실시예에 따른 연료 전지 스택(100)과 동일한 구조로 이루어 지므로 동일한 구조에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 전해질막들(12A 내지 12H)은 전해질막들(12A 내지 12H)의 관통 홀들(121A 내지 121H)에 형성된 하나 이상의 돌출부들(122A 내지 122H)를 포함한다. 여기서 전해질막들(12A 내지 12H)에 형성된 관통 홀들(121A 내지 121H)은 원형 또는 사각형 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
따라서, 제1 실시예에서의 전해질막(12)에 비하여 공급 부재(50)의 관통구(51)와 접촉되는 면적이 돌출부들(122A 내지 122H)의 면적만큼 증가하여, 제1 실시예에서의 전해질막(12)에 공급되는 전도성 물질보다 많은 양의 전도성 물질이 공급될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 8을 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(200)은 회전체(60)를 제외하고는 제 1실시예에 따른 연료 전지 스택(100)과 동일한 구조로 이루어 지므로 동일한 구조에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 연료 전지 스택(200)은 연료 전지 스택(200)에 형성된 연결 통로에 삽입되는 회전체(60)를 더 포함한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택(200)은 막-전극 접합체(10), 막-전극 접합체(10)의 양 측에 배치되는 캐소드 전극(13) 및 애노드 전극(14)을 포함하는 복수의 단위셀과 단위셀에 형성된 공급 통로에 삽입되는 복수의 공급 부재(50) 및 최외곽에 위치한 단위셀에 밀착되게 배치되는 지지대(43) 및 볼트(44)를 포함하는 엔드 플레이트들(40)을 포함할 수 있다. 여기서, 애노드 측 세퍼레이터(30)에 밀착되게 배치되는 엔드 플레이트(40)에는 주입 홀(41)이 형성될 수 있다. 또한, 회전체(60)는 복수의 공급부재(50)에 의하여 형성된 공급 통로가 연결되어 연료 전지 스택(200)에 형성된 연결 통로에 삽입될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 회전체(60)는 몸체(61), 몸체에 형성된 하나 이상의 돌기(62) 및 몸체의 일 단에 형성된 돌출부(63)를 포함할 수 있다. 몸체(61)의 길이는 연료 전지 스택(200)에 형성된 연결 통로의 길이 보다 더 긴 길이로 형성될 수 있다.
따라서, 회전체(60)는 애노드 측 세퍼레이터(30)와 밀착되게 배치되는 엔드 플레이트(40)에 형성된 주입 홀(41)의 외측으로 돌출되게 설치될 수 있다. 또한, 몸체(61)의 외주면에 형성된 하나 이상의 돌기(62)는 몸체(61)의 외주면을 감싸는 나선형 모양으로 형성될 수 있다. 다만, 도 8에는 도시되지 않았으나, 복수의 돌기가 서로 이격되어 몸체(61)의 외주면에 형성될 수도 있다. 여기서, 엔드 플레이트(40)에 형성된 주입 홀(41)의 외측으로 돌출된 몸체(61)의 일단에 형성된 돌출부(63)에는 회전력을 공급 시킬 수 있는 장치(일례로 모터)에 연결 될 수 있다.
따라서, 연료 전지 스택(200)의 단위셀들을 관통하는 홀에 삽입된 회전체(60)가 돌출부(63)에 공급된 회전력에 의하여 회전하게 되면, 공급 부재(50)에 공급된 전도성 물질이 회전하여 원심력이 발생하게 된다. 결국, 회전체(60)에 의하여 발생된 원심력에 의하여 막-전극 접합체(10)에 전도성 물질 이 공급될 수 있다. 따라서, 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)의 농도차에 의한 공급에 비하여, 본 실시예에 따른 물질 공급은 원심력에 의한 공급이므로 보다 효과적으로 물질을 공급하는 것이 가능하다.
도 10는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 10을 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(201)은 회전체(70)를 제외하고는 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택(200)과 동일한 구조이므로, 동일한 구조에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 회전체(70)는 몸체(71), 몸체에 형성되는 돌기(72) 및 몸체의 일단에 형성되는 돌출부(73)를 포함한다.
본 실시예에 따른 돌기(72)는 몸체의 일단에 서로 일정 간격을 두고 동일 평면상에 복수로 형성될 수 있다. 이때, 돌기(72)가 형성된 일단의 반대 측 일단에 형성된 돌출부(73)에는 회전력을 공급할 수 있는 장치(일례로 모터)가 연결될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(201)은 회전체(70)에 의하여 발생되는 원심력에 의하여 막-전극 접합체(10)에 물질을 공급하므로, 농도차에 의하여 막-전극 접합체(10)에 전도성 물질를 공급하는 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)보다 더 효과적으로 막-전극 접합체(10)에 물질을 공급할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전해질 막과 공급 부재의 결합 상태를 나타내는 부분 분해 사시도이고, 도 12는 도 11의 연료전지 스택의 결합상태를 나타내는 평면도이다.
도 11 및 도 12를 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(300)은 막-전극 접합체(10′)및 측면 공급부재(80)를 제외하고는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택과 동일한 구성으로 이루어 지므로, 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 도 11 및 도 12에는 도시되지 않았으나, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(300)에는 제1 실시예 및 제2 실시예 등에서의 연료 전지 스택들(100, 101, 200, 201)의 관통구(51)가 형성되고 실링부재(52)를 포함하는 단위셀들을 관통하여 형성된 공급 통로들이 서로 대향되게 연결되어 형성된 연결 통로가 포함될 수 있다. 다만, 본 실시예서는 단위셀들을 관통하여 형성된 연결 통로에 대한 설명은 제1 실시예 및 제2 실시예 등에서의 연료 전지 스택들(100, 101, 200, 201)에 따른 연결 통로와 동일한 구성이므로 설명을 생략한다.
본 실시예에 따른 연료 전지 스택(300)의 막-전극 접합체(10′)는 전해질막(11′), 전해질막(11′)의 양측에 배치되는 캐소드 전극(12′) 및 애노드 전극(13′)을 포함할 수 있다.
여기서, 전해질막(11′)의 크기는 캐소드 전극(12′) 및 애노드 전극(13′)보다 더 클 수 있다. 즉, 도 10 및 11에 도시된 바와 같이, 막-전극 접합체(10′)에는 전해질막(11′)의 일부가 돌출된 부분이 형성될 수 있다. 이때, 본 실시예에 따른 막-전극 접합체(10′)는 한 쌍의 장 변과 한 쌍의 단 변으로 이루어진 장방형 모양일 수 있으며, 전해질막(11′)의 일부는 막-전극 접합체(10′)의 네 개의 변 중 하나 이상의 변에 돌출 부분이 형성 될 수 있다.
다만, 본 실시예에서는 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 서로 대향되는 한 쌍의 장 변에 전해질막(11′)의 돌출 부분이 형성되는 것을 설명한다.
측면 공급부재(80)는 한 쌍의 장 변에 각각 결합 될 수 있는 복 수의 홈들(811, 821)이 형성된 제1 측면 공급부재(81) 및 제2 측면 공급부재(82)를 포함할 수 있다.
제1 측면 공급부재(81) 및 제2 측면 공급부재(82)의 내부에는 중공부가 형성되어 중공부에는 전도성 물질(일례로 인산(H3PO4)이 공급될 수 있다.
여기서, 전도성 물질은 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)에서와 같이 측면 공급부재들(81, 82)과 전해질막(11′)의 전도성 물질의 농도차에 의하여 전해질막(11′)에 전도성 물질이 공급될 수 있다.
다만, 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)에서는 공급부재(50)가 위치 되는 부근인 전해질막의 중심 부근에만 전도성 물질이 공급되지만, 본 실시예에 따르면, 전해질막(11′)의 중앙 부분뿐만 아니라 전해질막(11′)의 측면에도 전도성 물질이 공급되는 것이 가능하다.
다만, 본 실시예에 따르면, 제1 측면 공급부재(81) 및 제2 측면 공급부재(82)는 애노드 전극(13′) 또는 캐소드 전극(12′)과 결합되어 친수성 물질 또는 소수성 물질 중 어느 하나를 공급하는 것도 가능하다. 여기서, 애노드 전극(13′) 또는 캐소드 전극(12′)중 어느 하나의 전극은 전해질막(11′)보다 더 크게 형성될 수 도 있다.
도 13은 본 발명의 제 실시예에 따른 전해질 막과 공급 부재의 결합 상태의 다른 변형예를 나타내는 평면도이다.
본 실시예에 따른 연료 전지 스택(301)은 제3 측면 공급부재(83)를 제외하고는 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택(300)과 동일한 구조이므로, 동일한 구조에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 연료 전지 스택(301)의 전해질막(11″)은 애노드 전극(12″)보다 크게 형성될 수 있다. 따라서, 전해질막(11″)의 돌출된 부분은 한 쌍의 장 변과 하나의 단 변에 형성될 수 있다.
제3 측면 공급부재(83) 는 전도성 물질이 공급될 수 있는 중공부가 형성될 수 있고, 전해질막(11″)의 돌출 부분이 삽입될 수 있는 복 수의 홈들(831)이 형성될 수 있다. 따라서, 전해질막(11″)의 일 측 단 변에 형성된 돌출 부분이 제3 측면 공급부재(83)에 삽입되어 농도차에 의해 전도성 물질이 전해질막(11″)의 측면 부분에 공급될 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.
막-전극 접합체: 10 관통 홀: 11
전해질막: 12 애노드 전극: 13
캐소드 전극: 14 캐소드 측 세퍼레이터: 20
애노드 측 세퍼레이터: 30 앤드 플레이트: 40
공급 부재: 50 관통구: 51
실링부재: 52 회전체: 60, 70
측면 공급부재: 80

Claims (12)

  1. 전해질막, 상기 전해질 막의 제1 면 상에 위치하는 애노드 전극 및 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대측의 제2 면에 위치하는 캐소드 전극을 포함하는 하나 이상의 막-전극 접합체;
    상기 전해질막에 결합되어 전도성 물질을 공급하는 하나 이상의 공급 부재; 및
    상기 공급부재들을 관통하는 회전체를 포함하는 연료 전지 스택.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 공급 부재는,
    상기 전해질막의 제1 면과 접촉되는 제1 공급 부재와
    상기 전해질막의 제2 면과 접촉되는 제2 공급부재를 포함하는 연료 전지 스택.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 공급 부재 및 상기 제2 공급 부재 각각에는 관통구가 형성되고, 상기 제1 공급 부재와 상기 제2 공급 부재의 상기 관통구들이 서로 연결되는 연료 전지 스택.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 관통구가 형성된 상기 공급 부재들은 서로 연결되게 설치되어 연료 전지 스택 내부에 연결 통로가 형성되는 연료 전지 스택.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 연결 통로에는 전도성 물질이 공급되고,
    상기 전도성 물질은 인산(H3PO4)인 연료 전지 스택.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 공급 부재는 관통구를 포함하고,
    상기 관통구 주위에 설치되는 하나 이상의 실링 부재를 포함하는, 연료 전지 스택.
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 회전체는,
    일측에 회전력을 전달받는 돌출부가 형성되고,
    외주면에 돌출된 나선형 모양의 돌기가 형성되는 연료 전지 스택.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 회전체는,
    일측에 회전력을 전달받은 돌출부가 형성되고,
    돌출부의 반대측 일 측에 배치되는 하나 이상의 돌기를 포함하는 연료 전지 스택.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 공급 부재는,
    상기 막-전극 접합체의 외주면에 결합되는 연료 전지 스택.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 공급 부재는,
    중공부를 포함하고 상기 전해질막과 결합되는 하나 이상의 결합 홈이 형성된 연료 전지 스택.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 전해질막에는 전도성 물질이 공급되고,
    상기 전도성 물질은 인산(H3PO4)인 연료 전지 스택.
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