KR101314449B1 - 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택에 관한 것으로 막-전극 조합체와 분리판을 포함한 단위 셀이 복수로 적층된 복수의 스택체를 기액분리기가 일체화된 가스 공급판부재를 전기적으로 연결하여 일체화시킴으로써 다단형 스택 구조가 단순화되어 조립이 용이하고, 전체 부피를 크게 감소시켜 콤팩트한 설계가 가능함은 물론 제조 원가를 절감하는 효과 및 조립 시간을 크게 단축시키고 생산성을 증대시키는 효과가 있는 것이다.
본 발명은 스택의 출력 밀도(power density)를 높이고, 기액 분리 시 반응 가스가 과가습되거나, 저가습되는 것을 방지하여 연료 전지의 성능을 크게 향상시키고, 연료 전지의 성능이 안정화하는 효과가 있는 것이다.

Description

기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택{Cascade-type stack integrated with vapor-liquid separator in fuel cell system}
본 발명은 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택에 관한 것으로 더 상세하게는 복수의 단위 셀이 적층된 스택을 기액분리가 가능한 가스 공급판으로 연결하여 전체 크기를 줄이고, 전지 효율을 증대시킨 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택에 관한 발명인 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료의 산화에 의해 발생되는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생시키는 것이다.
상기 연료전지는 탄화 수소 계열의 연료를 개질하여 정제된 수소 또는 탄화수소 계열의 연료와 공기를 직접 연료전지 스택에 공급하여 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지를 발생시키는 것이다.
더 상세히 설명하면, 다음과 같다.
연료전지 스택은 양극(Anode)과 음극(Cathode), 상기 양극(Anode)과 음극(Cathode) 사이에 개재되는 전해질 막을 포함한 막-전극 조합체(MEA) 및 상기 막-전극 조합체를 분리하는 분리판을 포함한 단위 셀이 복수로 적층된 구조를 가지는 것이다.
한편, 상기 분리판의 양쪽 측면에는 각각 수소채널과 산소채널이 형성되어 있어서 각각 접촉한 막전극조합체의 양극 또는 음극에 연료가스(수소)와 산화가스(산소)를 공급하게 되어 있는데, 양극로 공급된 수소가 이온화되어 전자는 외부도선을 통해 이동하고 수소이온은 전해질막을 통해 음극쪽으로 이동하여 그쪽으로 공급된 산소와 결합하여 물이 생성되는 반응이 일어나며, 이때 상기 전자의 이동에 의해 전류가 생산되고, 물 생성 반응시 열이 발생하게 된다. 따라서, 연료전지 스택에는 운전 중 지속적으로 발생하는 열을 흡수 방출하여 일정한 작동온도를 유지할 수 있도록 냉각수가 공급된다.
이와 같이 연료전지 스택에는 발전반응을 위한 수소와 산소 및 냉각을 위한 냉각수의 공급을 위하여 수소와 산소 및 냉각수의 공급과 배출을 위한 공급 및 배출 매니폴드들이 형성된다. 상기 공급 및 배출 매니폴드들은 다수의 매니폴드홀들이 형성된 분리판이 상호 밀착하여 적층될 때 각 분리판들의 매니폴드홀들이 연결됨으로써 구성된다. 하나의 분리판에서 보면, 통상 막전극조합체(MEA)와 접촉하는 영역의 양쪽 측부에 각각 3개씩의 매니폴드홀들이 형성되는데, 주로 대각방향 가장자리에 있는 양쪽의 매니폴드홀이 서로 연결되어 수소 또는 산소의 공급 및 배출통로로써 이용되며, 중간부분에 있는 양쪽의 매니폴드홀이 연결되어 냉각수 공급 및 배출통로로써 이용된다.
일반적인 연료전지의 스택 조립체는 일단형(single stage)으로서, 연료가스(수소)와 산화가스(산소)가 각각의 매니폴드를 통하여 공급되고 스택의 각 셀(cell)을 구성하는 분리판을 통하여 고르게 분배된다. 이후 반응이 완료되고 남아 있는 잔류가스(residual gas)와 반응 부산물인 생성수(물)는 출구 매니폴드를 통하여 스택 외부로 배출되는데, 이때 스택 외부로 배출되는 잔류가스량을 최소화할수록 스택의 효율이 높아진다. 잔류가스량을 최소화하기 위해 일반적으로 스택 출구에 밸브를 설치하여 출구를 간헐적으로 여닫는 데드-엔드 운전(dead-end operation)을 수행하는 방법이 있으나, 각 셀의 출구에서 가스의 흐름이 정체되어 생성수가 채널을 덮는 홍수(flooding) 발생으로 전압이 급격히 낮아지는 현상이 발생할 가능성이 높다. 이를 극복하기 위한 방법으로 블로아(blower) 또는 이젝터(ejector)를 사용하여 잔류가스를 스택입구로 순환시키는 방법이 있으나 추가적인 동력소모, 소음발생 및 운전영역이 좁아지는 문제점을 안고 있다.
일반적인 다단형 스택은 도1에 도시한 바와 같이, 여러 개의 스택 단(stack stage)(1, 2, 3)이 직렬로 연결되어 있다. 상기 각 단(1, 2, 3)은 또한 전기적으로 직렬로 연결되어 있으며 각 단 사이에는 생성수를 제거하기 위한 기액 분리기(4)가 설치되어 있다. 각 단(1, 2, 3)은 1 ~ 수백개의 연료전지 셀(cell)로 구성되어 있으며, 마지막 단으로 갈수록 셀의 수는 감소하게 되어 있다. 각 단의 셀의 수는 연료가스/산화가스의 양론비(stoichiometry)가 1.2~1.5가 유지되고 맨 마지막 단의 양론비는 1이 되게 조절된다.
이러한 다단형 스택을 포함한 연료전지는 각 단을 스택(stack)으로 만들고 각 스택을 직렬로 연결해야 하므로 각 스택마다 압축판, 절연판 및 집전판, 스택을 직렬로 연결하기 위한 케이블(cable)이 필요하다.
또 상기 다단형 스택은 상기 각 단(1, 2, 3)의 사이에 기액 분리기(4)가 필요한 것이다.
따라서 종래의 다단 스택형 연료 전지는 각 단(1, 2, 3)을 연결하기 위한 배관, 케이블, 기액 분리기(4)가 필요하여 공간적으로 차지하는 부피가 크고, 구조가 복잡하여 제조 비용이 많이 소요되고, 조립이 어렵고 조립 시간이 오래 걸려 생산성이 낮은 문제점이 있는 것이다.
또한 종래의 다단 스택형 연료 전지는 특히, 기액 분리기가 각 단 사이에서 스택과 분리된 상태로 구비되어 연료 전지 전체 부피를 크게하고, 조립을 어렵게 함은 물론 기액 분리기를 통과한 반응 가스가 과가습되거나 저가습되는 현상이 발생하여 반응 가스, 즉, 수수 및 산소의 이용률이 저하되어 최종적으로 연료 전지의 효율이 낮은 문제점이 있는 것이다.
본 발명의 목적은 기액 분리기를 일체화시킴으로써 다단 스택의 구조를 단순화하여 조립 및 제조가 용이함은 물론 공간적으로 차지하는 부피를 줄여 콤팩트한 설계가 가능하고, 전지 효율을 향상시킨 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.
이러한 본 발명의 과제는 막-전극 조합체와 분리판을 포함한 단위 셀이 복수로 적층된 복수의 스택체와;
상기 복수의 스택체 사이에 배치되며 양 면에 배치된 각각의 스택체를 전기적으로 연결하며, 어느 한 면에 배치된 스택에서 1차 반응한 반응 가스를 전달받아 상기 반응 가스 내의 기액을 분리한 후 다른 한 면에 배치된 스택으로 반응 가스를 유입시키는 가스 공급판부재를 포함한 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택를 제공함으로써 해결되는 것이다.
상기 가스 공급판부재는 양 면에 각각 배치되는 상기 복수의 스택체를 전기적으로 연결하는 전원 연결부가 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 가스 공급판부재에는 양 면에 배치된 각 스택체의 냉각수 유로를 연결하는 냉각수 연결 매니폴드가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 가스 공급판부재의 내부에는 상기 가스 공급판부재의 어느 한 면에 배치된 스택체에서 1차 반응한 연료 가스가 유입되어 기액 분리되는 제 1 기액 분리부 및 상기 가스 공급판부재의 어느 한 면에 배치된 스택체에서 1차 반응한 연료 가스가 유입되어 기액 분리되는 제 2 기액 분리부가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 기액 분리부 및 상기 제 2 기액 분리부 내에 각각 구비되어 상기 제 1 기액 분리부 및 상기 제 2 기액 분리부 내의 수위를 감지하는 제 1 레벨 센서 및 제 2 레벨 센서와, 상기 제 1 기액 분리부 및 상기 제 2 기액 분리부의 배출구에 연결되는 제 1 기액 배출관 및 제 2 기액 배출관에 각각 장착되는 제 1 제어 밸브 및 제 2 제어 밸브와, 상기 제 1 레벨 센서 및 제 2 레벨 센서, 상기 제 1 제어 밸브 및 제 2 제어 밸브에 연결되어 상기 제 1 레벨 센서 및 제 2 레벨 센서로 부터 전달받은 신호로 상기 제 1 제어 밸브 및 제 2 제어 밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함한 것을 특징으로 한다.
상기 분리판은 중앙부에 상기 막-전극 조합체가 배치되는 조합체 배치부가 구비되며, 상기 조합체 배치부의 상부에 이격되게 형성되는 제 1 반응 가스 유입 매니폴드, 제 2 반응 가스 유입 매니폴드와, 상기 조합 배치부의 하부에 이격되게 형성되는 제 1 반응 가스 배출 매니폴드, 제 2 반응 가스 배출 매니폴드를 포함하며, 상기 조합체 배치부의 상부에서 상기 제 1 반응 가스 유입 매니폴드와 상기 제 2 반응 가스 유입 매니폴드 사이에 형성되는 제 1 냉각수 매니폴드와, 상기 조합체 배치부의 하부에서 상기 제 1 반응 가스 배출 매니폴드와 상기 제 2 반응 가스 배출 매니폴드 사이에 형성되는 제 2 냉각수 매니폴드를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기 가스 공급판부재는 상기 제 1 기액 분리부로 연결되어 상기 제 1 기액 분리부로 연료 가스를 유입시키는 연료 가스 유입 매니폴드가 상기 분리판의 제 1 반응 가스 배출 매니폴드에 대응되게 형성되며 상기 제 2 기액 분리부로 연결되어 상기 제 2 기액 분리부로 산화 가스를 유입시키는 산화 가스 유입 매니폴드가 상기 분리판의 제 2 반응 가스 배출 매니폴드에 대응되게 형성되고, 상기 가스 공급판부재의 내부에는 상기 연료 가스 유입 매니폴드와 상기 제 1 기액 분리부를 연결하는 연료 가스 유입 유로와, 상기 산화 가스 유입 매니폴드와 상기 제 2 기액 분리부를 연결하는 산화 가스 유입 유로가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 가스 공급판부재는 상기 제 1 기액 분리부로 연결되어 상기 제 1 기액 분리부에서 기액 분리된 연료 가스를 배출하여 상기 가스 공급판부재의 어느 한 면에 배치된 스택체로 유입시키는 연료 가스 배출 매니폴드가 상기 분리판의 제 1 반응 가스 유입 매니폴드에 대응되게 형성되며 상기 제 2 기액 분리부로 연결되어 상기 제 2 기액 분리부에서 기액 분리된 산화 가스를 배출하여 상기 가스 공급판부재의 어느 한 면에 배치된 스택체로 유입시키는 산화 가스 배출 매니폴드가 상기 분리판의 제 2 반응 가스 유입 매니폴드에 대응되게 형성되고, 상기 가스 공급판부재의 내부에는 상기 제 1 기액 분리부와 상기 연료 가스 배출 매니폴드를 연결하는 연료 가스 배출 유로와, 상기 제 2 기액 분리부와 상기 산화 가스 배출 매니폴드를 연결하는 산화 가스 배출 유로가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 가스 공급판부재에는 양 면에 배치된 각 스택체의 냉각수 유로를 연결하도록 제 1 냉각수 연결 매니폴드, 제 2 냉각수 연결 매니폴드가 상기 분리판의 제 1 냉각수 매니폴드와 제 2 냉각수 매니폴드에 대응되게 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기액분리기가 일체화된 다단형 스택 구조로, 구조가 단순화되어 조립이 용이하고, 전체 부피를 크게 감소시켜 콤팩트한 설계가 가능함은 물론 제조 원가를 절감하는 효과 및 조립 시간을 크게 단축시키고 생산성을 증대시키는 효과가 있는 것이다.
본 발명은 스택의 출력 밀도(power density)를 높이고, 기액 분리 시 반응 가스가 과가습되거나, 저가습되는 것을 방지하여 연료 전지의 성능을 크게 향상시키고, 연료 전지의 성능을 안정화하는 효과가 있는 것이다.
도 1은 일반적인 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명의 구조를 나타낸 분해 사시도
도 3은 본 발명의 전체 구조를 도시한 사시도
도 4는 본 발명의 가스 공급판부재를 도시한 사시도
도 5는 본 발명의 가스 공급판부재의 구조를 도시한 단면도
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명인 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택는 복수의 스택체(10, 10', 10'')를 포함하며, 상기 스택체(10, 10', 10'')는 막-전극 조합체와 분리판(11)을 포함한 단위 셀이 복수로 적층된 것이다.
상기 복수의 스택체(10, 10', 10'')는 반응 가스가 유입되는 측을 기준으로 반응 가스가 배출되는 마지막 단으로 갈수록 셀의 수는 감소하게 되어 있다.
각 스택체(10, 10', 10'')의 셀의 수는 연료가스/산화가스의 양론비(stoichiometry)가 1.2~1.5가 유지되고 맨 마지막 단의 양론비는 1이 되게 조절된다.
상기 단위 셀은 양극(Anode)판과 음극(Cathode)판, 상기 양극(Anode)판과 음극(Cathode)판 사이에 개재되는 전해질 막을 포함한 막-전극 조합체(MEA) 및 상기 막-전극 조합체의 양 면에 각각 배치되는 분리판(11)을 포함한다.
상기 분리판(11)은 상기 막-전극 조합체 내로 반응 가스를 분배하는 가스 유로 및 연료전지 스택체의 냉각수가 흐르는 냉각수 유로를 구비한다.
상기 분리판(11)은 복수로 적층된 각각의 막-전극 조합체에 반응 가스 및 냉각수를 공급하기 위한 반응 가스 매니폴드(12) 및 냉각수 매니폴드(13)가 형성된다.
복수의 상기 분리판(11)은 서로 압착되어 밀착됨으로써 상기 반응 가스 매니폴드(12) 및 상기 냉각수 매니폴드(13)가 연결되어 하나의 가스 유로 및 냉각수 유로를 형성하고, 상기 가스 유로 및 상기 냉각수 유로에서 각각의 막-전극 조합체에 반응 가스를 공급하는 것이다.
상기 분리판(11)은 중앙부에 상기 막-전극 조합체가 배치되어 실질적인 화학 반응이 발생하는 조합체 배치부(11a)가 구비된다.
또 상기 반응 가스 매니폴드(12)는 상기 조합체 배치부(11a)의 상부에 이격되게 형성되는 제 1 반응 가스 유입 매니폴드(12a), 제 2 반응 가스 유입 매니폴드(12b)와, 상기 조합 배치부의 하부에 이격되게 형성되는 제 1 반응 가스 배출 매니폴드(12c), 제 2 반응 가스 배출 매니폴드(12d)를 포함한다.
또한, 상기 냉각수 매니폴드(13)는 상기 조합체 배치부(11a)의 상부에서 상기 제 1 반응 가스 유입 매니폴드(12a)와 상기 제 2 반응 가스 유입 매니폴드(12b) 사이에 형성되는 제 1 냉각수 매니폴드(13a)와, 상기 조합체 배치부(11a)의 하부에서 상기 제 1 반응 가스 배출 매니폴드(12c)와 상기 제 2 반응 가스 배출 매니폴드(12d) 사이에 형성되는 제 2 냉각수 매니폴드(13b)를 포함한다.
즉, 연료 가스는 상기 제 1 반응 가스 유입 매니폴드(12a)를 통해 각 상기 막-전극 조합체의 양극판에 공급되고, 산화 가스는 상기 제 2 가스 유입 매니폴드를 통해 각 상기 막-전극 조합체의 음극판에 공급되는 것이다.
또 냉각수는 상기 제 1 냉각수 매니폴드(13a) 및 상기 제 2 냉각수 매니폴드(13b)를 통해 각 분리판(11)의 내부를 순환함으로써 각각의 분리판(11)에서 반응열을 냉각시키게 되는 것이다.
한편, 본 발명은 상기 복수의 스택체(10, 10', 10'') 사이에 배치되며 양 면에 배치된 각각의 스택체(10, 10', 10'')를 전기적으로 연결하며, 어느 한 면에 배치된 스택체(10)에서 1차 반응한 반응 가스를 전달받아 상기 반응 가스 내의 기액을 분리하는 기액 분리부가 내부에 형성되고, 상기 기액 분리부로 기액 분리된 반응 가스를 다른 한 면에 배치된 스택체(10')로 반응 가스를 유입시키는 가스 공급판부재(20)를 포함한다.
상기 가스 공급판부재(20)는 상기 복수의 스택체(10, 10', 10'') 사이에 배치되어 일면에 어느 한 스택체(10)의 분리판(11)이 밀착되고, 다른 한 면에 다른 한 스택체(10')의 분리판(11)이 밀착되는 것이다.
본 발명은 상기 복수의 스택체(10, 10', 10'') 양 측에 배치되며 전원이 연결되는 두 개의 집전판부재(50)와, 상기 복수의 스택체(10, 10', 10'') 양 측에 배치되어 상기 복수의 스택체(10, 10', 10'') 및 상기 복수의 스택체(10, 10', 10'') 사이에 배치되는 상기 가스 공급판부재(20)를 압축 고정하는 압축판부재(30)를 포함한다.
상기 압축판부재(30)에는 보조 압축판부재(60)가 선택적으로 결합되며, 연료가스(수소) 및/또는 산화가스(산소)가 유입/배출되는 연료가스 유입관 및 연료가스 배출관과 산화가스 유입관 및 산화가스 배출관이 연결된다.
즉, 상기 복수의 스택체(10, 10', 10'') 양 측에는 상기 집전판부재(50)와, 절연판부재(40)와 상기 압축판부재(30)와 상기 보조 압축판부재(60)가 순차적으로 배치되는 것이다.
상기 집전판부재(50)와, 상기 절연판부재(40)는 일반적인 구성이므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 압축판부재(30)는 상기 복수의 스택체(10, 10', 10'') 중 양 단부에 배치된 각 스택체(10, 10'')의 양 측에 각각 배치되는 것으로 어느 한 측에 상기 연료 가스 유입관 및 산화 가스 유입관이 연결되고, 다른 한 측에 연료 가스 배출관 및 산화 가스 배출관이 연결되는 것이다.
상기 가스 공급판부재(20)는 도 4 내지 도 5에서 도시한 바와 같이 양 면에 각각 배치되는 상기 복수의 스택체(10, 10', 10'')를 전기적으로 연결하는 전원 연결부(21)가 구비되며, 상기 전원 연결부(21)는 몸체 중앙부에 배치되고, 상기 분리판(11)의 조합체 배치부(11a)에 대응되게 구비되어 상기 조합체 배치부(11a)에 배치되는 막-전극 접합체로의 전원 공급을 원활하게 한다.
또 상기 가스 공급판부재(20)의 내부에는 상기 가스 공급판부재(20)의 어느 한 면에 배치된 스택체(10)에서 1차 반응한 연료 가스가 유입되어 기액 분리되는 제 1 기액 분리부(23a) 및 상기 가스 공급판부재(20)의 어느 한 면에 배치된 스택체(10)에서 1차 반응한 연료 가스가 유입되어 기액 분리되는 제 2 기액 분리부(23b)가 형성된다.
또한 상기 가스 공급판부재(20)는 상기 분리판(11)의 제 1 반응 가스 배출 매니폴드(12c)에 대응되게 형성되며 상기 제 1 기액 분리부(23a)로 연결되어 상기 제 1 기액 분리부(23a)로 연료 가스를 유입시키는 연료 가스 유입 매니폴드(22a) 및 상기 분리판(11)의 제 2 반응 가스 배출 매니폴드(12d)에 대응되게 형성되며 제 2 기액 분리부(23b)로 연결되어 상기 제 2 기액 분리부(23b)로 산화 가스를 유입시키는 산화 가스 유입 매니폴드(22b)를 포함한다.
상기 가스 공급판부재(20)의 내부에는 상기 연료 가스 유입 매니폴드(22a)와 상기 제 1 기액 분리부(23a)를 연결하는 연료 가스 유입 유로(22c)와, 상기 산화 가스 유입 매니폴드(22b)와 상기 제 2 기액 분리부(23b)를 연결하는 산화 가스 유입 유로(22d)가 형성된다.
상기 가스 공급판부재(20)는 상기 분리판(11)의 제 1 반응 가스 유입 매니폴드(12a)에 대응되게 형성되며 상기 제 1 기액 분리부(23a)로 연결되어 상기 제 1 기액 분리부(23a)에서 기액 분리된 연료 가스를 배출하여 상기 가스 공급판부재(20)의 다른 한 면에 배치된 스택체(10')로 유입시키는 연료 가스 배출 매니폴드(24a)와, 상기 분리판(11)의 제 2 반응 가스 유입 매니폴드(12b)에 대응되게 형성되며 상기 제 2 기액 분리부(23b)로 연결되어 상기 제 2 기액 분리부(23b)에서 기액 분리된 산화 가스를 배출하여 상기 가스 공급판부재(20)의 다른 한 면에 배치된 스택체(10')로 유입시키는 산화 가스 배출 매니폴드(24b)를 포함한다.
상기 가스 공급판부재(20)의 내부에는 상기 제 1 기액 분리부(23a)와 상기 연료 가스 배출 매니폴드(24a)를 연결하는 연료 가스 배출 유로(24c)와, 상기 제 2 기액 분리부(23b)와 상기 산화 가스 배출 매니폴드(24b)를 연결하는 산화 가스 배출 유로(24d)가 형성된다.
상기 가스 공급판부재(20)에는 양 면에 배치된 각 스택체(10, 10', 10'')의 냉각수 유로를 연결하는 냉각수 연결 매니폴드(25)가 형성된다.
상기 냉각수 연결 매니폴드(25)는 상기 분리판(11)의 제 1 냉각수 매니폴드(13a)와 제 2 냉각수 매니폴드(13b)에 대응되게 형성되는 제 1 냉각수 연결 매니폴드(25a), 제 2 냉각수 연결 매니폴드(25b)를 포함한다.
또 본 발명은 상기 제 1 기액 분리부(23a) 및 상기 제 2 기액 분리부(23b) 내에 각각 구비되어 상기 제 1 기액 분리부(23a) 및 상기 제 2 기액 분리부(23b) 내의 수위를 감지하는 제 1 레벨 센서(26a) 및 제 2 레벨 센서(26b)와, 상기 제 1 기액 분리부(23a) 및 상기 제 2 기액 분리부(23b)의 배출구에 연결되는 제 1 기액 배출관(23c) 및 제 2 기액 배출관(23d)에 각각 장착되는 제 1 제어 밸브(27a) 및 제 2 제어 밸브(27b)와, 상기 제 1 레벨 센서(26a) 및 제 2 레벨 센서(26b), 상기 제 1 제어 밸브(27a) 및 제 2 제어 밸브(27b)에 연결되어 상기 제 1 레벨 센서(26a) 및 제 2 레벨 센서(26b)로 부터 전달받은 신호로 상기 제 1 제어 밸브(27a) 및 제 2 제어 밸브(27b)의 작동을 제어하는 제어부(28)를 더 포함한다.
상기 제어부(28)는 상기 제 1 레벨 센서(26a) 및 제 2 레벨 센서(26b)에서 감지된 수위가 일정 이상인 경우에만 상기 제 1 기액 배출관(23c) 및 상기 제 2 기액 배출관(23d)의 관로를 개방하도록 상기 제 1 제어 밸브(27a) 및 상기 제 2 제어 밸브(27b)의 작동을 제어하여 상기 제 1 기액 분리부(23a) 및 상기 제 2 기액 분리부(23b)에 일정 이상의 기액이 저장된 경우 외부로 배출하여 제거하도록 하는 것이다.
본 발명은 상기 연료 가스 유입관 및 상기 산화 가스 유입관으로 연료 가스 및 산화 가스가 유입되면 어느 한 스택체(10) 내의 각 막-전극 조합체를 통과하여 화학 반응한 후 상기 가스 공급판부재(20) 내에 형성된 제 1 기액 분리부(23a) 및 상기 제 2 기액 분리부(23b)로 유입된다.
그리고, 상기 연료 가스 및 산화 가스는 상기 제 1 기액 분리부(23a) 및 상기 제 2 기액 분리부(23b)에서 기액이 분리된 후 상기 가스 공급판부재(20)의 다른 면에 배치된 스택체(10')로 공급되는 것이다.
본 발명은 상기한 바와 같이 내부에 제 1 기액 분리부(23a) 및 제 2 기액 분리부(23b)가 형성되고 각 스택체(10, 10', 10'')의 전원 연결이 가능한 상기 가스 공급판부재(20)가 복수의 스택체(10, 10', 10'') 사이에 배치되어 각 스택체(10, 10', 10'')를 배관하기 위한 배관, 케이블이 필요 없고, 별도의 기액 분리기를 구비할 필요가 없고, 복수의 스택체(10, 10', 10'')가 한 몸체로 되어 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택의 전체 크기를 획기적으로 줄이는 구조인 것이다.
또한 본 발명은 내부에 제 1 기액 분리부(23a) 및 제 2 기액 분리부(23b)가 형성된 상기 가스 공급판부재(20)가 복수의 스택체(10, 10', 10'') 사이에 배치되어 스택체의 온도와 동일하게 유지되므로, 상기 제 1 기액 분리부(23a) 및 상기 제 2 기액 분리부(23b)에서 기액 분리되는 반응 가스가 과가습되거나 저가습되지 않고 안정적으로 기액 분리되어 다른 스택체(10', 10'')로 공급되는 것이다.
본 발명은 연료 가스와, 수소 가스의 이용율(utilization ratio)을 높여 최적적으로 배출되는 잔류 가스를 최소화하여 각 스택체(10, 10', 10'')의 효율을 증대시키는 효과가 있는 것이다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.
10 : 스택체 11 : 분리판
20 : 가스 공급판부재 30 : 압축판부재

Claims (9)

  1. 막-전극 조합체와 분리판을 포함한 단위 셀이 복수로 적층된 스택체를 포함하고,
    상기 스택체는 복수로 구비되고,
    양면에 각각 상기 스택체가 배치되어 각각의 스택체를 전기적으로 연결하는 가스 공급판부재를 더 포함하며,
    상기 가스 공급판부재의 내부에는,
    상기 스택체에서 배출되는 연료 가스가 유입되고, 유입된 연료 가스의 기액을 분리하는 제 1 기액 분리부;
    상기 가스 공급판부재의 어느 한 면에 배치된 스택체에서 1차 반응한 연료 가스를 상기 제 1 기액 분리부로 유입시키는 연료 가스 유입 매니폴드;
    상기 제 1 기액 분리부에 연결되고, 상기 가스 공급판부재의 다른 한 면에 배치된 스택체로 상기 제 1 기액 분리부에서 기액분리된 연료 가스를 공급하는 연료 가스 배출 매니폴드;
    상기 스택체에서 배출되는 산화 가스가 유입되고, 유입된 산화 가스의 기액을 분리하는 제 2 기액 분리부;
    상기 가스 공급판부재의 어느 한 면에 배치된 스택체에서 1차 반응한 산화 가스를 상기 제 2 기액 분리부로 유입시키는 산화 가스 유입 매니폴드;
    상기 제 2 기액분리부에 연결되고, 상기 가스 공급판부재의 다른 한 면에 배치된 스택체로 상기 제 2 기액 분리부에서 기액분리된 산화 가스를 공급하는 산화 가스 배출 매니폴드; 및
    양 면에 배치된 각 스택체의 냉각수 유로를 연결하도록 제 1 냉각수 연결 매니폴드, 제 2 냉각수 연결 매니폴드가 구비된 것을 특징으로 하는 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 공급판부재는 양 면에 각각 배치되는 상기 복수의 스택체를 전기적으로 연결하는 전원 연결부가 구비된 것을 특징으로 하는 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 기액 분리부 및 상기 제 2 기액 분리부 내에 각각 구비되어 상기 제 1 기액 분리부 및 상기 제 2 기액 분리부 내의 수위를 감지하는 제 1 레벨 센서 및 제 2 레벨 센서와;
    상기 제 1 기액 분리부 및 상기 제 2 기액 분리부의 배출구에 연결되는 제 1 기액 배출관 및 제 2 기액 배출관에 각각 장착되는 제 1 제어 밸브 및 제 2 제어 밸브와;
    상기 제 1 레벨 센서 및 제 2 레벨 센서, 상기 제 1 제어 밸브 및 제 2 제어 밸브에 연결되어 상기 제 1 레벨 센서 및 제 2 레벨 센서로 부터 전달받은 신호로 상기 제 1 제어 밸브 및 제 2 제어 밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함한 것을 특징으로 하는 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판은 중앙부에 상기 막-전극 조합체가 배치되는 조합체 배치부가 구비되며,
    상기 조합체 배치부의 상부에 이격되게 형성되는 제 1 반응 가스 유입 매니폴드, 제 2 반응 가스 유입 매니폴드와, 상기 조합 배치부의 하부에 이격되게 형성되는 제 1 반응 가스 배출 매니폴드, 제 2 반응 가스 배출 매니폴드를 포함하고,
    상기 조합체 배치부의 상부에서 상기 제 1 반응 가스 유입 매니폴드와 상기 제 2 반응 가스 유입 매니폴드 사이에 형성되는 제 1 냉각수 매니폴드와, 상기 조합체 배치부의 하부에서 상기 제 1 반응 가스 배출 매니폴드와 상기 제 2 반응 가스 배출 매니폴드 사이에 형성되는 제 2 냉각수 매니폴드를 포함한 것을 특징으로 하는 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연료 가스 유입 매니폴드가 상기 분리판의 제 1 반응 가스 배출 매니폴드에 대응되게 형성되며 상기 산화 가스 유입 매니폴드가 상기 분리판의 제 2 반응 가스 배출 매니폴드에 대응되게 형성되고,
    상기 가스 공급판부재의 내부에는 상기 연료 가스 유입 매니폴드와 상기 제 1 기액 분리부를 연결하는 연료 가스 유입 유로와, 상기 산화 가스 유입 매니폴드와 상기 제 2 기액 분리부를 연결하는 산화 가스 유입 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 연료 가스 배출 매니폴드가 상기 분리판의 제 1 반응 가스 유입 매니폴드에 대응되게 형성되며, 상기 산화 가스 배출 매니폴드가 상기 분리판의 제 2 반응 가스 유입 매니폴드에 대응되게 형성되고,
    상기 가스 공급판부재의 내부에는 상기 제 1 기액 분리부와 상기 연료 가스 배출 매니폴드를 연결하는 연료 가스 배출 유로와, 상기 제 2 기액 분리부와 상기 산화 가스 배출 매니폴드를 연결하는 산화 가스 배출 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제 1 냉각수 연결 매니폴드와 상기 제 2 냉각수 연결 매니폴드가 각각 상기 분리판의 제 1 냉각수 매니폴드와 제 2 냉각수 매니폴드에 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 기액 분리기를 일체화시킨 다단형 연료전지 스택.
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