KR101294206B1 - 연료 전지 시스템 및 이의 연료 전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템 및 그의 연료 전지 스택에 관한 것이다. 본 발명의 연료 전지 시스템은, 연료와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지의 집합체로 이루어진 연료 전지 스택; 상기 연료 전지로 연료를 공급하기 위한 연료 공급부; 및 상기 연료 전지로 공기를 공급하기 위한 복수의 공기 공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연료 전지 시스템 및 스택에 따르면, 연료 전지 스택의 전기 발생 집합체가 1kW급 이상의 대용량 스택으로 이루어진 경우, 복수의 공기 공급부를 구비하고, 이를 위해 세퍼레이터에 각각 한 쌍의 공기 공급 채널군, 공기 공급 매니폴드 및 공기 배출 매니폴드를 형성하므로, 종래 기술과 달리 단일의 연료 전지 스택으로 구성할 수 있다. 따라서, BOP의 전력 손실을 줄일 수 있고, 전체 시스템의 모듈화 및 컴팩트화가 가능해지며, 대용량 스택에서 발생하는 연료 전지 스택의 과도한 차압을 방지할 수 있으며, 물 배출을 용이하게 할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 이의 연료 전지 스택 {FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL STACK OF THE SAME}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 BOP의 전력 손실을 줄일 수 있고 전체 시스템의 모듈화 및 컴팩트화가 가능하며, 대용량 스택에서 발생하는 연료 전지 스택의 과도한 차압을 방지할 수 있도록 산화제 공급 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.

이러한 연료 전지는 시스템의 구성 요소와 연료의 종류에 따라 여러 타입으로 나뉘는데, 크게 고분자 전해질막 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로 구분할 수 있다.

고분자 전해질막 연료 전지는 개질 장치에서 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스와, 공기와 같은 산화제를 제공받아 그 개질 가스와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.

여기서, 연료라 함은 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스를 포함할 수도 있다.

그리고, 개질 장치는 촉매에 의한 연료의 산화 방식으로서 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 연료의 수증기 개질(SR: Steam Reforming), 부분 산화(POX: Partial Oxidation) 또는 자열 개질(ATR: Auto-Thermal Reforming) 반응 등을 통해 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다.

이와 같은 고분자 전해질막 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료 가스인 수소를 생산하기 위하여 상기한 액체 연료 또는 가스 연료 등을 개질하기 위한 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.

한편, 직접 메탄올 연료 전지는 고분자 전해질막 연료 전지와 달리, 개질 가스를 사용하지 않고 상술한 바와 같은 액체 연료를 직접적으로 제공받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도 제공되는 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.

이러한 직접 메탄올 연료 전지는 액체 연료를 직접 사용하여 작동되므로, 연료의 저장, 시스템의 운전 및 보수가 비교적 간단하고 용이하여 차세대 이동용 발전 전원으로 주목 받고 있는 신에너지 변환 기술이다.

종래 기술에서 직접 메탄올 연료 전지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템은 직접 메탄올 연료 전지의 집합체로서 이루어지는 연료 전지 스택과, 이 연료 전지 스택의 연료 전지로 액체 연료를 공급하기 위한 연료 공급원과, 그 연료 전지로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급원을 기본적으로 구비하고 있다.

한편, 연료 전지 스택은 연료 전지의 전극 면적을 크게 하고, 그 연료 전지의 적층 수를 증대시킴으로써 대용량의 직접 메탄올형 연료 전지로서 구성될 수 있다.

그런데, 이와 같이 연료 전지의 전극 면적을 극대화하고, 연료 전지의 적층 수를 증대시키게 되면, 연료 전지 스택에 과도한 차압이 발생하게 되고, 물 배출이 어려워 스택의 성능이 저하되고 산화제 공급원의 공급에 한계를 나타내고 있다.

이를 극복하기 위하여 종래 기술에서는 두 개의 스택을 직렬로 연결하여 사용하고 있는데, 이는 주변장치인 BOP도 두 개씩 구비되어야 하고, 이에 따른 BOP의 전력 손실이 증가하게 되고, 전체 시스템의 부피가 커지게 되며, 이에 따른 연료 전지 스택의 모듈화 및 컴팩트화가 어려워진다는 문제점을 내포하고 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 1kW급 이상의 대용량 연료 전지의 경우 단일의 스택으로 구성할 수 있도록 연료 전지의 산화제 공급 구조를 개선한 연료 전지 시스템 및 이의 연료 전지 스택을 제공한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지의 집합체로 이루어진 연료 전지 스택과, ⅱ)상기 연료 전지로 연료를 공급하기 위한 연료 공급부와, ⅲ)상기 연료 전지로 공기를 공급하기 위한 복수의 공기 공급부를 포함한다.

또한, 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 공급부는 공기 블로워 혹은 공기 펌프로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지는 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 밀착되는 세퍼레이터를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는 공기를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하기 위한 적어도 둘 이상의 공기 공급 채널군을 포함할 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 각 공기 공급 채널군으로 공기를 유입시키기 위한 공기 공급 매니폴드와, 상기 각 공기 공급 채널군을 통과한 미반응 공기와 상기 막-전극 어셈블리에서 생성된 물을 배출하는 공기 배출 매니폴드를 포함할 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각 공기 공급부는 제어기에 의해 제어되며 상기 연료 전지로 공급하는 공기의 공급량을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택은, ⅰ)다수의 연료 전지들을 연속적으로 적층하여 이루어지는 전기 발생 집합체와, ⅱ)상기 전기 발생 집합체의 최 외측에 각각 배치되며 상기 연료 전지들을 일체로 체결하는 엔드 플레이트를 포함하되, 상기 엔드 플레이트에는 상기 연료 전지로 공기를 공급하기 위한 복수의 공기 공급부가 구성된다.

또한, 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 연료 전지는 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 배치되는 세퍼레이터를 포함할 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 공기를 유동시키기 위한 적어도 한 쌍의 공기 공급 채널군을 포함할 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 각 공기 공급 채널군으로 공기를 공급하기 위한 한 쌍의 공기 공급 매니폴드와, 상기 공기 공급 채널군을 통과한 미반응 공기와 상기 막-전극 어셈블리에서 생성된 물을 배출하는 한 쌍의 공기 배출 매니폴드를 포함할 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 각 공기 공급 채널군은 사행(SERPENTINE) 형상의 유로로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 스택은, 상기 연료 전지가 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로서 이루어질 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 스택은, 상기 전기 발생 집합체가 1kW급 이상의 대용량 스택으로서 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 연료 전지 스택의 전기 발생 집합체가 1kW급 이상의 대용량 스택으로 이루어진 경우, 복수의 공기 공급부를 구비하고, 이를 위해 세퍼레이터에 각각 한 쌍의 공기 공급 채널군, 공기 공급 매니폴드 및 공기 배출 매니폴드를 형성하므로, 종래 기술과 달리 단일의 연료 전지 스택으로 구성할 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 BOP의 전력 손실을 줄일 수 있고, 전체 시스템의 모듈화 및 컴팩트화가 가능해지며, 대용량 스택에서 발생하는 연료 전지 스택의 과도한 차압을 방지할 수 있으며, 물 배출을 용이하게 할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 세퍼레이터의 공기 공급 채널군을 통한 공기의 확산 및 물 배출이 더욱 용이하도록 공기 공급 채널군의 형상을 사행유로 형태로 형성함으로써 직접 메탄올 연료 전지로 구성되는 연료 전지 스택의 성능 및 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택에 적용되는 세퍼레이터를 도시한 평면 구성도이다.
도 5는 도 2의 정면 구성도이다.
도 6은 스택 양층의 앤드 플레이트를 나타낸 도면으로 (a)는 공기극 측 앤드플레이트를 나타내고 (b)는 연료극 측 앤드 플레이트를 나타낸다.

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.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

여기서, 상기 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응은 단위 셀로서의 연료 전지를 통해 이루어지는 바, 본 실시예에서 상기 연료 전지는 액체 연료를 직접 사용하는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로서 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 연료는 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다. 그러나, 이하에서는 산화제로서 공기를 사용하는 예를 설명하기로 한다.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 연료 전지 스택(10), 연료 공급부(50), 및 공기 공급부(70)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

본 실시예에서, 상기 연료 전지 스택(10)은 연료 전지들(1)의 집합체 구조로서, 이들 연료 전지(1)가 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체(11)로 이루어진다. 여기서, 연료 전지 스택(10)은 전기 발생 집합체(11)가 1kW급 이상의 대용량 스택으로 이루어진다.

상기 연료 전지 스택(10)는 연료 전지들(1)로 연료를 주입하기 위한 제1 주입부(13)와, 연료 전지들(1)로 공기를 주입하기 위한 한 쌍의 제2 주입부(15)를 형성하고 있다.

그리고, 상기 연료 전지 스택(10)은 연료 전지들(1)에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출하는 제1 배출부(17)와, 연료 전지들(1)에서 반응하고 남은 공기와 연료 전지들(1)에서 생성된 물을 배출하는 한 쌍의 제2 배출부(19)를 형성하고 있다. 도 1에서 제1 배출부(17)가 도시되지 않았으나 이는 상측 제2 주입부(15)에 가리워져 있으며, 이는 도 2, 3 및 6을 참조하면 용이하게 이해될 수 있다. 또한, 도 1에서 제2 배출부(19)가 하나로 표시되었으나 하측 제2 배출부(19)가 제1 주입부(13)에 의해 가리워져 있으며, 이는 도 2, 3 및 6을 참조하면 용이하게 이해될 수 있다. 한편, 도 5에서도 마찬가지 방식으로 도시되어 있으나, 역시 도 2, 3 및 6을 통해 제1 주입부, 제2 주입부, 제1 배출부 및 제2 배출부의 위치 관계를 용이하게 이해할 수 있다.

이러한 연료 전지 스택(10)의 구체적인 구성은 도 2 내지 도 5를 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명될 것이다.

본 실시예에서, 상기 연료 공급부(50)는 연료 전지 스택(10)으로 연료를 공급하기 위한 것으로서, 알코올류의 액체 연료를 저장하는 연료 탱크(51)와, 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 펌핑 압력으로서 연료 전지 스택(10)으로 공급하는 연료 펌프(52)를 포함하여 이루어진다.

이 경우, 상기 연료 펌프(52)는 위에서 언급한 바 있는 연료 전지 스택(10)의 제1 주입부(13)와 연결되게 설치될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 공기 공급부(70)는 연료 전지 스택(10)으로 산화제인 공기를 공급하기 위한 것으로서, 한 쌍으로서 구비되며, 연료 전지 스택(10)의 제2 주입부(15)와 각각 연결되게 설치될 수 있다.

상기 공기 공급부(70)는 공기를 연료 전지 스택(10)의 제2 주입부(15)로 주입할 수 있는 공기 블로워(71)를 포함한다.

그러나, 본 발명에서는 공기 공급부(70)가 공기 블로워(71)로서 이루어지는 것에 특별히 한정되지 않고, 당 업계에서 널리 사용되는 공지 기술의 공기 펌프를 포함할 수도 있다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 공급부(50)를 통해 연료를 연료 전지 스택(10)으로 공급하고, 공기 공급부(70)를 통해 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급한다.

그러면, 연료 전지 스택(10)에서는 연료와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키게 된다.

이하, 상기에서와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택(10)을 하기의 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 분해 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택(10)은 위에서 언급한 바 있듯이 연료 전지들(1: 이하 도 1 참조)이 연속적으로 적층된 전기 발생 집합체(11)와, 전기 발생 집합체(11)의 연료 전지들(1)을 일체로 체결하는 엔드 플레이트(21)를 포함하여 이루어진다.

상기 전기 발생 집합체(11)를 구성하는 각각의 연료 전지(1)는 막-전극 어셈블리(MEA)(3: 이하 도 1 참조)와, 막-전극 어셈블리(3)를 사이에 두고 이의 양측에 배치되는 세퍼레이터(31)(당 업계에서는 통상적으로 “분리판” 또는 “바이폴라 플레이트” 라고도 한다)를 포함하여 이루어진다.

상기에서, 막-전극 어셈블리(3)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.

애노드 전극은 세퍼레이터(31)를 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키며, 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터(31)를 통해 제공받은 공기를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.

이러한 막-전극 어셈블리(3)의 구성은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 직접 메탄올형 연료 전지의 막-전극 어셈블리로서 이루어지므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에서, 상기 세퍼레이터(31)는 그라파이트(graphite) 또는 금속 박판으로 이루어지며, 일측면에 연료를 막-전극 어셈블리(3)로 공급하기 위한 연료 공급 채널(도면에 도시되지 않음)을 형성하고 있다.

상기 연료 공급 채널은 도 1에서와 같은 연료 공급부(50)를 통해 제1 주입부(13)로 주입되는 연료를 막-전극 어셈블리(3)의 애노드 전극으로 공급하기 위한 유로로 이루어진다.

그리고, 상기 세퍼레이터(31)의 다른 일측면에는 도 4에서와 같이 공기를 막-전극 어셈블리(3)로 공급하기 위한 복수의 공기 공급 채널군(33)을 형성하고 있다.

상기 공기 공급 채널군(33)은 본 실시예에서 한 쌍으로서 구비되는 바, 이들 각각의 공기 공급 채널군(33)은 다수의 채널들(34)이 단일의 유로군으로 형성된 것으로, 한 쪽으로 공기가 유입되며 다른 한 쪽으로 공기가 배출되는 유로로서 구비된다.

여기서, 상기 공기 공급 채널군(33)은 사행(SERPENTINE) 형상의 유로로 이루어지는 바, 다수의 직선 유로들이 가로 방향으로 배치되고, 이들 직선 유로의 양쪽 끝이 세로 방향을 따라 교번적으로 연결된 형상으로 이루어진다.

또한, 상기 세퍼레이터(31)는 각각의 공기 공급 채널군(33)으로 공기를 유입시키기 위한 한 쌍의 공기 공급 매니폴드(35)와, 각 공기 공급 채널군(33)을 통과하며 막-전극 어셈블리(3)에서 반응하고 남은 미반응 공기와 막-전극 어셈블리(3)에서 생성된 물을 배출하는 한 쌍의 공기 배출 매니폴드(37)를 포함하고 있다.

상기 공기 공급 매니폴드(35)는 세퍼레이터(31)의 일측 가장자리에 구멍으로서 형성되며, 공기 공급 채널군(33)의 한 쪽 끝부분과 상호 연결된다.

그리고, 상기 공기 배출 매니폴드(37)는 세퍼레이터(31)의 다른 일측 가장자리에 구멍으로서 형성되며, 공기 공급 채널군(33)의 다른 한 쪽 끝부분과 상호 연결된다.

이 경우, 상기 공기 공급 매니폴드(35)는 도 1에서와 같은 연료 전지 스택(10)의 제2 주입부(15)와 연결될 수 있으며, 공기 배출 매니폴드(37)는 연료 전지 스택(10)의 제2 배출부(19)와 연결될 수 있다.

도면에서 미설명된 참조 부호 43은 연료를 연료 공급 채널로 공급하기 위한 연료 공급 매니폴드를 나타내며, 참조 부호 41은 연료 전지(1)에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출하기 위한 연료 배출 매니폴드를 나타낸다.

본 실시예에서, 상기 엔드 플레이트(21)는 전기 발생 집합체(11)의 연료 전지들(1)을 가압 체결하기 위한 것으로서, 당 업계에서는 통상 “가압 플레이트”라고도 하며, 전기 발생 집합체(11)의 최 외측에 각각 밀착되게 배치된다.

이러한 엔드 플레이트(21)는 연료 전지(1)에 상응하는 면적을 지닌 사각형의 금속 플레이트로서 이루어지며, 다수의 체결 로드들(26)과 그 체결 로드(26)의 양단부에 나사 결합되는 너트(28)를 통해 체결될 수 있다.

상기 엔드 플레이트(21)에는 위에서 언급한 바 있는 제1 및 제2 주입부(13, 15), 제1 및 제2 배출부(17, 19)가 구비되는 바, 도 5에서와 같이 제2 주입부(15)에는 한 쌍의 공기 공급부(70)가 연결되게 설치된다. 한편, 엔드 플레이트(21)에는 생선된 전기의 출력을 위한 출력단(80)이 구비된다.

여기서, 상기 각 공기 공급부(70)는 공기 블로워(71)를 포함하는 바, 이 공기 블로워(71)는 엔드 플레이트(21)에 고정되게 설치된 하우징(75) 내부에 장착될 수 있다.

이 경우, 상기 공기 블로워(71)는 도 1에 도시된 바와 같은 제어기(90)에 의해 제어되면서 제2 주입부(15)를 통해 세퍼레이터(31)의 공기 공급 매니폴드(35)로 공급되는 공기의 양을 조절할 수 있다.

도면에서 미설명된 참조 부호 29는 전기 발생 집합체(11)의 양측에 앤드 플레이트(21) 내로 삽입되도록 배치되며 연료 전지(1)에서 발생되는 전기를 집전하는 전기 집전판을 나타낸다.

따라서, 지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 한 쌍의 공기 공급부(70)를 통하여 연료 전지 스택(10)으로 공기를 공급할 수 있다.

즉, 공기는 한 쌍의 공기 공급부(70)를 통해 연료 전지 스택(10)의 제2 주입부(15)로 주입되고, 세퍼레이터(31)의 공기 공급 매니폴드(35)로 공급되면, 공기 공급 채널군(33)을 따라 유동하면서 막-전극 어셈블리(3)의 캐소드 전극으로 공급될 수 있다.

여기서, 공기 공급부(70)를 통해 세퍼레이터(31)의 공기 공급 매니폴드(35)로 공급되는 공기의 양은 제어기(90)에 의해 공기 공급부(70)를 제어함으로써 조절될 수 있다.

그리고, 상기 막-전극 어셈블리(3)에서 반응하고 남은 미반응 공기와 막-전극 어셈블리(3)에서 생성된 물은 한 쌍의 공기 배출 매니폴드(37)를 통해 연료 전지 스택(10)의 제2 배출부(19)로 배출될 수 있다.

이로써 본 실시예에서는 연료 전지 스택(10)의 전기 발생 집합체(11)가 1kW급 이상의 대용량 스택으로 이루어진 경우, 복수의 공기 공급부(70)를 구비하고, 세퍼레이터(31)에 각각 한 쌍의 공기 공급 채널군(33), 공기 공급 매니폴드(35) 및 공기 배출 매니폴드(37)를 형성하므로, 연료 전지 스택(10)의 과도한 차압을 방지할 수 있으며, 물 배출을 용이하게 할 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 대용량의 연료 전지 스택(10)을 구성하기 위해 연료 전지(1)의 전극 면적이 크고 적층 수를 증대시키더라도 과도한 차압을 방지할 수 있고, 물 배출이 용이하므로, 연료 전지 스택(10)의 성능을 더욱 향상시킬 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.

1… 연료 전지 3… 막-전극 어셈블리(MEA)
10… 연료 전지 스택 11… 전기 발생 집합체
13… 제1 주입부 15… 제2 주입부
17… 제1 배출부 19… 제2 배출부
21… 엔드 플레이트 31… 세퍼레이터
33… 공기 공급 채널군 34… 채널
35… 공기 공급 매니폴드 37… 공기 배출 매니폴드
41… 연료 배출 매니폴드 43… 연료 공급 매니폴드
50… 연료 공급부 51… 연료 탱크
52… 연료 펌프 70… 공기 공급부
71… 공기 블로워 75… 하우징
80: 출력 단자 90… 제어기

Claims (11)

1. 다수의 연료 전지들을 연속적으로 적층하여 이루어지는 전기 발생 집합체;
   상기 전기 발생 집합체의 양측에 각각 배치되고, 상기 연료 전지로 공기를 공급하기 위한 복수의 공기 공급부가 구비되며, 상기 연료 전지들을 일체로 연결하는 엔드 플레이트를 포함하고,
   상기 연료 전지는,
   막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 밀착되는 세퍼레이터를 포함하고,
   상기 세퍼레이터는,
   공기를 유동시키기 위한 적어도 한 쌍의 공기 공급 채널군;
   상기 각 공기 공급 채널군으로 공기를 공급하기 위한 한 쌍의 공기 공급 매니폴드; 및
   상기 공기 공급 채널군을 통과한 미반응 공기와 상기 막-전극 어셈블리에서 생성된 물을 배출하는 한 쌍의 공기 배출 매니폴드를 포함하고,
   상기 공기 공급 채널군은,
   한 쌍으로 구비되고, 다수의 채널들이 단일의 유로군으로 형성되며, 한쪽으로 공기가 유입되어 대향된 방향으로 공기가 배출되는 유로로 구비되고, 다수의 직선 유로들이 가로 방향으로 배치되며, 상기 직선 유로의 양쪽 끝이 세로 방향을 따라 교번적으로 연결된 사행(SERPENTINE) 형상으로 구성되는 연료 전지 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 공기 공급부는 공기 블로워를 포함하고,
   상기 공기 블로워는 상기 엔드 플레이트에 고정되게 설치된 하우징 내부에 장착되는 연료 전지 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 전기 발생 집합체는 1kW 이상의 대용량 스택으로 구성되는 연료 전지 시스템.
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