KR20050077984A

KR20050077984A - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR20050077984A
Application number: KR1020040006000A
Authority: KR
Inventors: 이동훈; 권호진; 김주용
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-04
Also published as: CN1658421A; JP4243592B2; CN100470898C; US20050202295A1; JP2005216848A; US7537851B2; KR100542200B1

Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지의 스택과 이 스택에 대한 냉각 구조에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비한 스택; 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부; 상기 스택으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부; 및 상기 바이폴라 플레이트에 형성되어 상기 냉각수 공급부로부터 공급되는 냉각수가 통과하도록 하는 적어도 하나의 유로부를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지의 스택과 이 스택에 대한 냉각 구조에 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 전기화학 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 갖고 있다.

이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.

이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.

상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지가 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 포함된다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 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) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수개 내지 수십개로 적층된 구조를 가진다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 산소가스와 연료가스가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소를 함유하는 연료가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소를 함유한 산소가스가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료가스의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소가스의 전기 화학적인 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.

이러한 연료 전지 시스템은 스택을 항상 적정 온도로 관리를 하여야 전해질막의 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라, 성능 저하를 미연에 방지할 수 있다. 이를 위해 종래의 연료 전지 시스템은 통상적인 공냉식 냉각장치를 구비하여 운전 중에 스택에서 발생하는 열을 비교적 온도가 낮은 찬 공기로 식혀 주거나 또는 냉각수를 공급하여 스택에서 발생하는 열을 식혀 주는 수냉식 냉각장치를 구비하고 있다.

그런데, 종래에 따른 연료 전지 시스템은 특히, 수냉식으로 스택에서 발생하는 열을 냉각시키는 경우, 스택 내로 냉각수를 통과시키기 위한 별도의 냉각 플레이트를 설치해야 하므로, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있다.

또한, 종래의 연료 전지 시스템은 스택으로부터 다량의 수분을 함유한 상태로 배출되는 미반응 공기가 상대적으로 낮은 온도를 유지하는 대기로 방출될 경우, 미반응 공기가 대기와 접촉하면서 응축이 일어나게 된다. 이로 인해, 미반응 공기가 응축되면서 생성되는 물을 저장하거나 재활용하기 위한 별도의 장치를 설치해야 하는 바, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현하지 못하고, 별도의 장치를 구동하는데 따른 열 또는 전기의 부하가 가중되어 전체적인 시스템의 효율 및 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 종래의 연료 전지 시스템은 전기 생성에 필요한 액상의 연료를 별도로 가열하여 개질기를 통해 수소 가스를 발생시키는 구조를 가진다. 이에 따라, 액상의 연료를 개질기에서 요구되는 온도로 별도 가열하는데 따른 열 부하의 증가로 인해 전체 시스템의 효율 및 성능이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하고, 바이폴라 플레이트의 전체 영역에 대해 적절한 온도 구배를 제공하여 시스템의 성능 및 효율을 향상시키며, 스택 및 개질기에서 발생되는 열을 효율적으로 이용할 수 있는 구조를 가진 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비한 스택; 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부; 상기 스택으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부; 및 상기 바이폴라 플레이트에 형성되어 상기 냉각수 공급부로부터 공급되는 냉각수가 통과하도록 하는 적어도 하나의 유로부를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부는 상기 개질기와 연결 설치되며 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하고, 상기 공기 공급부는 상기 스택과 연결 설치되는 공기 펌프를 포함하며, 상기 냉각수 공급부는 상기 유로부와 연결 설치되며 상기 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크와, 상기 냉각수 탱크에 연결 설치되는 냉각수 펌프를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 공기를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제1 유로채널이 상기 바이폴라 플레이트의 어느 한 쪽 면에 형성되고, 상기 수소 가스를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제2 유로채널이 바이폴라 플레이트의 나머지 한 쪽 면에 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트는 상기 제1 유로채널로 공기를 공급하는 제1 유입부와, 상기 제1 유로채널을 통과하면서 미반응된 공기를 배출하는 제1 배출부와, 상기 제2 유로채널로 수소 가스를 공급하는 제2 유입부와, 상기 제2 유로채널을 통과하면서 미반응된 수소 가스를 배출하는 제2 배출부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유로부는 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 공급되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제1 유로부와, 각각의 유로채널을 따라 수소 가스 및 공기가 유동되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제2 유로부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 유로부는 상기 냉각수가 유입되는 제1 관통홀과, 상기 냉각수가 유출되는 제2 관통홀과, 상기 제1 관통홀과 제2 관통홀을 연결하는 제1 홈을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제2 유로부는 상기 냉각수가 유입되는 제3 관통홀과, 상기 냉각수가 유출되는 제4 관통홀과, 상기 제3 관통홀과 제4 관통홀을 연결하는 제2 홈을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유로부는 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 배출되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제3 유로부를 더 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제3 유로부는 상기 제1,2 유로부를 통과한 냉각수가 유입되는 제5 관통홀과, 상기 냉각수가 배출되는 제6 관통홀과, 상기 제5 관통홀과 제6 관통홀을 연결하는 제3 홈을 포함할 수 있다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비한 스택; 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부; 상기 스택으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부; 상기 바이폴라 플레이트에 형성되어 상기 냉각수 공급부로부터 공급되는 냉각수가 통과하도록 하는 적어도 하나의 유로부; 및 상기 공기 공급부와 스택 사이에 배치되어 상기 공기 공급부와 스택에 연결 설치되며, 상기 냉각수 공급부와 유로부에 연결 설치되는 제1 열교환부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 열교환부는 상기 공기 공급부와 바이폴라 플레이트에 연결 설치되어 상기 바이폴라 플레이트로 공기를 공급하는 제1 공급관과, 상기 냉각수 공급부와 제1,2 유로부에 각각 연결 설치되며 상기 제1 공급관에 접촉하도록 배치되는 적어도 하나의 제2 공급관을 포함할 수 있다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비한 스택; 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부; 상기 스택으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부; 상기 바이폴라 플레이트에 형성되어 상기 냉각수 공급부로부터 공급되는 냉각수가 통과하도록 하는 적어도 하나의 유로부; 상기 공기 공급부와 스택 사이에 배치되어 공기 공급부와 스택에 연결 설치되며, 상기 냉각수 공급부와 유로부에 연결 설치되는 제1 열교환부; 및 상기 개질기와 스택 사이에 배치되어 상기 개질기와 스택에 연결 설치되며, 상기 유로부와 연결 설치되는 제2 열교환부를 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유로부는 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 공급되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제1 유로부와, 각각의 유로채널을 따라 수소 가스 및 공기가 유동되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제2 유로부와, 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 배출되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제3 유로부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제2 열교환부는 상기 개질기와 바이폴라 플레이트에 연결 설치되어 상기 바이폴라 플레이트로 수소 가스를 공급하는 제3 공급관과, 상기 제1,2,3 유로부에 각각 연결 설치되며 상기 제3 공급관에 접촉하도록 배치되는 적어도 하나의 제4 공급관을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급부와 개질기 사이에 배치되어 상기 연료 공급부와 개질기에 연결 설치되며, 상기 유로부와 연결 설치되는 제3 열교환부를 더 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제3 열교환부는 상기 연료 공급부와 개질기에 연결 설치되어 연료를 상기 개질기로 공급하는 제5 공급관과, 상기 제3 유로부에 연결 설치되며 상기 제5 공급관에 접촉하도록 배치되는 적어도 하나의 제6 공급관을 포함할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택은, 전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 포함하고, 공기를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제1 유로채널이 상기 바이폴라 플레이트의 어느 한 쪽 면에 형성되고, 수소 가스를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제2 유로채널이 바이폴라 플레이트의 나머지 한 쪽 면에 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택은, 냉각수가 통과하는 적어도 하나의 유로부가 상기 바이폴라 플레이트에 형성될 수 있으며, 이러한 연료 전지 시스템의 스택에 있어 상기 유로부는 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 공급되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제1 유로부와, 각각의 유로채널을 따라 수소 가스 및 공기가 유동되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제2 유로부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택에 있어서, 상기 유로부는 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 배출되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제3 유로부를 더 포함할 수도 있다.

따라서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 바이폴라 플레이트에 작용하는 온도 분포를 균일하게 유지시키고 스택 및 개질기로부터 발생되는 열을 전체적인 시스템의 구동에 필요한 에너지원으로 활용할 수 있는 구조를 가지므로, 전체적인 시스템의 성능 및 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 점에 그 특징이 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 도시한 개략도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같은 탄화 수소 계열의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 그 수소 가스와 외부 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.

본 시스템(100)은 기본적으로, 수소 가스와 공기의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(10)과, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 개질기(20)와, 상기한 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급부(30)와, 외부의 공기를 스택(10)으로 공급하는 공기 공급부(40)로 구성된다.

대안으로서, 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 액상의 연료를 직접 스택(10)으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 방식의 연료 전지는 위와 같은 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기(20)가 배제된 구조를 가진다.

이하에서는 전술한 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기한 연료 공급부(30)는 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 배출시키도록 연료 탱크(31)에 연결 설치되는 연료 펌프(33)를 구비한다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 연료라 함은, 탑재와 저장이 용이한 탄화 수소 계열의 연료 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 포함한다. 그러나 상기한 연료는 위와 같은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스에 물이 혼합된 것일 수도 있으며, 이하의 설명에서 편의상 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스를 액상의 연료라고 정의한다. 그리고 공기 공급부(40)는 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하는 공기 펌프(41)를 포함하며, 공기 펌프(41)와 상기한 스택(10)이 통상적인 유로에 의해 연결된다.

전술한 바 있는 개질기(20)는 연료 공급부(30)로부터 공급되는 연료를 개질 반응에 의해 수소 가스로 전환할 뿐만 아니라, 수소 가스로부터 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거하는 통상적인 개질기의 구조를 가진다. 즉, 개질기(20)는 연료를 개질하는 개질부와, 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부를 포함한다. 개질부는 수증기 개질, 부분산화, 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 일산화탄소 제거부는 수성가스 전환 방법과 선택적 산화 방법과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거한다. 바람직하게, 상기 개질기(20)는 유입구(21)와 유출구(23)를 갖는 본체부(25)를 포함한다. 본체부(25)에는 상기한 개질부 및 일산화탄소 제거부가 설치된다. 따라서 연료 공급부(30)로부터 공급되는 연료는 유입구(21)를 통해 본체부(25)로 유입된다. 그리고 본체부(25)의 개질부 및 일산화탄소 제거부를 거쳐 개질된 수소 가스는 유출구(23)를 통해 배출된다. 여기서 상기 유출구(23)는 다음에 설명하는 바이폴라 플레이트(13)의 제2 유입부(18)와 소정 유로로 연결된다.

도 2는 도 1에 도시한 스택 부위를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시한 바이폴라 플레이트 부위를 나타내 보인 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 바이폴라 플레이트의 평면 구성도이고, 도 5는 도 3에 도시한 바이폴라 플레이트의 배면 구성도이다.

도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 스택(10)은 개질기(20)를 통해 개질된 수소 가스와 공기 공급부(40)에 의해 흡입된 외부 공기를 공급받아 이들의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부(11)를 구비한다.

상기한 전기 생성부(11)는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하며, 수소 가스와 공기를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA)(12)와, 수소 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(12)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(13)로 이루어진다. 이러한 전기 생성부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(13)가 각각 배치된다. 이로서 스택(10)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(11)가 연속적으로 배치됨으로써 하나의 연료 전지를 구성하게 된다.

전극-전해질 합성체(12)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 가진다. 애노드 전극은 바이폴라 플레이트(13)를 통해 수소 가스를 공급받는 부분으로, 산화 반응에 의해 수소 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDS)으로 구성된다. 캐소드 전극은 바이폴라 플레이트(13)을 통해 공기를 공급받는 부분으로, 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.

바이폴라 플레이트(13)는 어느 한 쪽 면(이하에서 "제1 면" 이라고 한다)이 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극에 밀착되고, 다른 한 쪽 면(이하에서 "제2 면" 이라고 한다)이 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극에 밀착된다. 이와 같은 바이폴라 플레이트(13)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트(13)는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다.

이를 위해 본 실시예에 따른 바이폴라 플레이트(13)는 제1 면(13a)에 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 공기를 공급하는 제1 유로채널(14)을 형성하고(도 4 참조), 제2 면(13b)에 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하는 제2 유로채널(15)을 형성하고 있다(도 5 참조). 여기서 스택(10)의 최외측에는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 어느 하나의 전극에 밀착되는 엔드 플레이트(미도시)가 각각 배치될 수 있다. 그리고 전극-전해질 합성체(12)에 밀착되는 엔드 플레이트의 각 밀착면에는 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 제1 유로채널(14)을 형성할 수 있고, 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하기 위한 제2 유로채널(15)을 형성할 수 있다.

그리고 바이폴라 플레이트(13)에는 제1 유로채널(14)에 공기를 공급하기 위한 제1 유입부(16)와, 제1 유로채널(14)을 통과하면서 미반응된 공기를 배출시키기 위한 제1 배출부(17)와, 제2 유로채널(15)에 개질기(20)로부터 생성된 수소 가스를 공급하기 위한 제2 유입부(18)와, 제2 유로채널(15)을 통과하면서 미반응된 수소 가스를 배출시키기 위한 제2 배출부(19)를 포함한다. 상기한 제1,2 유입부(16,18) 및 제1,2 배출부(17,19)는 바이폴라 플레이트(13)에 각각 관통 형성된다.

부연 설명하면, 제1 유입부(16)는 제1 유로채널(14)의 시작단과 연통하도록 제1 유로채널(14)의 외측에 관통 형성된다. 제2 유입부(18)는 제2 유로채널(15)의 시작단과 연통하도록 제2 유로채널(15)의 외측에 관통 형성된다. 제1 배출부(17)는 제1 유로채널(14)의 끝단과 연통하도록 제1 유로채널(14)의 외측에 관통 형성된다. 제2 배출부(19)는 제2 유로채널(15)의 끝단과 연통하도록 제2 유로채널(15)의 외측에 관통 형성된다. 다시 말하면, 바이폴라 플레이트(13)는 제1 면(13a)을 기준으로 제1 유입부(16)가 제1 유로채널(14)에 연통하며, 제2 유입부(18)가 제1 유로채널(14)과 연통하지 않는 구조를 가진다. 반대로, 바이폴라 플레이트(13)는 제2 면(13b)을 기준으로 제2 유입부(18)가 제2 유로채널(15)에 연통하며, 제1 유입부(16)가 제2 유로채널(15)과 연통하지 않는 구조를 가진다(도 4 참조). 또한 바이폴라 플레이트(13)는 제1 면(13a)을 기준으로 제1 배출부(17)가 제1 유로채널(14)에 연통하며, 제2 배출부(19)가 제1 유로채널(14)과 연통하지 않는 구조를 가진다. 반대로, 바이폴라 플레이트(13)는 제2 면(13b)을 기준으로 제2 배출부(19)가 제2 유로채널(15)에 연통하며, 제1 배출부(17)가 제2 유로채널(15)과 연통하지 않는 구조를 가진다(도 5 참조).

따라서, 상기와 같은 구성을 가진 전기 생성부(11)는 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 물이 생성된다.

<반응식 1>

양극반응: H₂ → 2H⁺+ 2e^-

음극반응: O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O

전체반응: H₂ + O₂ → H₂O + 전류 + 열

반응식 1을 참고하면, 바이폴라 플레이트(13)을 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 상기한 수소 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 촉매층에서 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해된다. 프로톤이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에서 전자와 산소이온 그리고 이동된 프로톤이 합쳐져서 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 따라서 전기 생성부(11)는 이러한 과정을 거치면서 전기를 생성하게 된다.

이와 같은 본 시스템(100)의 작용시, 스택(10)의 전기 생성부(11)에서는 부수적으로 열이 발생하게 된다. 이러한 열은 전극 전해질 합성체(12)를 건조시켜 스택(10)의 성능을 저하시키는 요인으로 작용한다. 그리고 상기한 스택(10)은 전기 생성부(11)로부터 미반응되고 수분을 다량 함유한 미반응 공기를 배출시킨다.

이에 본 발명의 연료 전지 시스템은 냉각수 공급부(50)로부터 공급되는 냉각수를 바이폴라 플레이트(13)로 순환시켜 바이폴라 플레이트(13)의 전체 영역에 대해 적절한 온도 구배를 제공함으로써 상기한 열에 의해 전극-전해질 합성체(12)가 건조되는 것을 방지함은 물론 미반응 공기를 증기화시킬 수 있는 구조를 갖는다.

상기한 구조로서, 바이폴라 플레이트(13)에는 냉각수 공급부(50)로부터 공급되는 냉각수가 통과하는 적어도 하나의 유로부(61,62,63)를 형성하고 있다.

전술한 바 있는 냉각수 공급부(50)는 냉각수 예컨대, 물 또는 그 이외의 통상적인 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크(51)와, 냉각수 탱크(51)에 저장된 물을 소정 펌핑력에 의해 배출시키도록 냉각수 탱크(51)와 연결 설치되는 냉각수 펌프(53)를 구비한다.

본 실시예에 따른 유로부(61,62,63)는 각각의 제1,2 유로채널(14,15)을 기준으로 수소 가스 및 공기가 공급되는 영역의 유로채널(14,15) 외측에 형성되는 제1 유로부(61)와, 각각의 제1,2 유로채널(14,15)을 따라 수소 가스 및 공기가 유동되는 영역의 유로채널(14,15) 외측에 형성되는 제2 유로부(62)와, 각각의 제1,2 유로채널(14,15)을 기준으로 수소 가스 및 공기가 배출되는 영역의 유로채널(14,15) 외측에 형성되는 제3 유로부(63)를 포함한다.

여기서 제1 유로부(61)는 도면의 X축 방향에 대응하는 제1,2 유입부(16,18) 측의 여유 부분에 형성된다. 제2 유로부(62)는 제1,2 유입부(16,18)를 기준으로 도면의 Y축 방향에 대응하는 유로채널(14,15) 외측의 여유 부분에 형성된다. 제3 유로부(63)는 도면의 X축 방향에 대응하는 제1,2 배출부(17,19) 측의 여유 부분에 형성된다. 여기서 여유 부분이라 함은 제1,2 유로채널(14,15)과 전술한 바 있는 제1,2 유입부(16,18) 및 제1,2 배출부(17,19)가 형성되지 않은 바이폴라 플레이트(13)의 나머지 부분을 의미한다.

제1 유로부(61)는 냉각수 공급부(50)로부터 공급되는 냉각수가 유입될 수 있는 제1 관통홀(61a)과, 상기한 냉각수가 실질적으로 유출될 수 있는 제2 관통홀(61b)과, 제1 관통홀(61a)과 제2 관통홀(61b)을 연결하는 제1 홈(61c)을 구비한다. 여기서 제1 홈(61c)은 바이폴라 플레이트(13)의 제1 면(13a)을 기준으로 제1 관통홀(61a)과 제2 관통홀(61b)을 연결하며, 제2 면(13b)을 기준으로 제1 관통홀(61a)과 제2 관통홀(61b)을 연결한다.

제2 유로부(62)는 냉각수 공급부(50)로부터 공급되는 냉각수가 유입될 수 있는 제3 관통홀(62a)과, 상기한 냉각수가 실질적으로 유출될 수 있는 제4 관통홀(62b)과, 제3 관통홀(62a)과 제4 관통홀(62b)을 연결하는 제2 홈(62c)을 구비한다. 여기서 제2 홈(62c)은 바이폴라 플레이트(13)의 제1 면(13a)을 기준으로 제3 관통홀(62a)과 제4 관통홀(62b)을 연결하며, 제2 면(13b)을 기준으로 제3 관통홀(62a)과 제4 관통홀(62b)을 연결한다.

제3 유로부(63)는 위와 같은 제1,2 유로부(61,62)를 통과한 냉각수가 유입될 수 있는 제5 관통홀(63a)과, 상기한 냉각수가 실질적으로 유출될 수 있는 제6 관통홀(63b)과, 제5 관통홀(63a)과 제6 관통홀(63b)을 연결하는 제3 홈(63c)을 구비한다. 여기서 제3 홈(63c)은 바이폴라 플레이트(13)의 제1 면(13a)을 기준으로 제5 관통홀(63a)과 제6 관통홀(63b)을 연결하며, 제2 면(13b)을 기준으로 제5 관통홀(63a)과 제6 관통홀(63b)을 연결한다.

한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 냉각수 공급부(50)로부터 공급되는 냉각수를 공기 공급부(40)로부터 공급되는 공기와의 열 교환을 통해 더욱 냉각시키고, 상기한 냉각수를 제1,2 유로부(61,62)에 공급하여 바이폴라 플레이트(13)에 작용하는 열을 실질적으로 냉각시킬 수 있는 제1 열교환부(70)를 구비한다.

도 6은 도 1에 도시한 제1 열교환부 부위를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 1 내지 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 제1 열교환부(70)는 공기 공급부(40)와 바이폴라 플레이트(13)에 연결 설치되는 제1 공급관(73)과, 냉각수 공급부(50)와 제1,2 유로부(61,62)에 각각 연결 설치되는 적어도 하나의 제2 공급관(75)을 구비한다.

제1 공급관(73)은 전기 생성부(11)의 전기 생성에 필요한 공기를 바이폴라 플레이트(13)의 제1 유로채널(14)에 공급하기 위한 것이다. 제1 공급관(73)은 공기 공급부(40)의 공기 펌프(41)와 바이폴라 플레이트(13)의 제1 유입부(16)에 연결되는 파이프 타입의 배관을 구비한다. 제1 공급관(73)은 이 공급관(73)의 외경 보다 상대적으로 큰 내경을 가진 제1 배관(71) 내에 배치된다.

제2 공급관(75)은 냉각수 공급부(50)로부터 공급되는 냉각수를 제1,2 유로부(61,62)에 공급하기 위한 것이다. 제2 공급관(75)은 냉각수 공급부(50)의 냉각수 탱크(51)와 제1,2 유로부(61,62)에 각각 연결되는 파이프 타입의 배관을 구비한다. 제2 공급관(75)은 제1 유로부(61)의 제1 관통홀(61a)과 제2 유로부(62)의 제3 관통홀(62a)에 각각 연결된다. 바람직하게, 제2 공급관(75)은 제1 배관(71)의 내부에서 제1 공급관(73)의 외주면과 제1 배관(71)의 내주면 사이에 다수 배치되며, 제1 공급관(73)의 외주면에 접촉 설치된다.

따라서 냉각수 공급부(50)로부터 제2 공급관(75)을 통해 공급되는 냉각수와 제1 공급관(73)을 통해 공급되는 공기와의 열 교환을 통해 상기한 냉각수가 더욱 냉각된 상태로 제1,2 유로부(61,62)로 공급된다. 이로서 비교적 온도가 낮은 냉각수가 제1,2 유로부(61,62)를 통과하면서 바이폴라 플레이트(13)에 대해 수소 가스와 공기가 유입되는 영역에서의 온도 상승을 완만하게 하고, 바이폴라 플레이트(13)의 대략 중간 영역 이상에 대해서는 온도를 일정하게 유지시킨다.

다른 한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 제1 열교환부(70)에 의해 제1,2 유로부(61,62)를 통과하면서 데워진 냉각수를 개질기(20)를 통해 비교적 높은 온도로 배출되는 수소 가스와의 열 교환을 통해 더욱 가열한 상태로 제3 유로부(63)에 공급하여 바이폴라 플레이트(13)의 제1 배출부(17) 측을 가열함으로써 상기 제1 배출부(17)를 통해 배출되는 미반응 공기를 증기화시키는 제2 열교환부(80)를 구비한다.

도 7은 도 1에 도시한 제2 열교환부 부위를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 1 내지 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 제2 열교환부(80)는 개질기(20)와 스택(10)에 연결 설치되는 제3 공급관(83)과, 바이폴라 플레이트(13)의 제1,2,3 유로부(61,62,63)에 각각 연결 설치되는 적어도 하나의 제4 공급관(85)을 구비한다.

제3 공급관(83)은 개질기(20)로부터 발생하는 수소 가스를 바이폴라 플레이트(13)의 제2 유로채널(15)에 공급하기 위한 것이다. 제3 공급관(83)은 개질기(20)의 유출구(23)와 바이폴라 플레이트(13)의 제2 유입부(18)에 연결되는 파이프 타입의 배관을 구비한다. 제3 공급관(83)은 이 공급관(83)의 외경 보다 상대적으로 큰 내경을 가진 제2 배관(81) 내에 배치된다.

제4 공급관(85)은 제1,2 유로부(61,62)를 거치면서 소정 온도로 가열된 냉각수를 회수하여 개질기(20)로부터 발생하는 수소 가스와의 열 교환을 통해 상기한 냉각수를 더욱 가열하고, 상기 가열된 냉각수를 제3 유로부(63)에 공급하기 위한 것이다. 제4 공급관(85)은 일단이 폐쇄되고, 타단이 개방된 파이프 타입의 배관으로서 그 개방된 단부가 제1,2,3 유로부(61,62,63)에 각각 연결된다. 제4 공급관(85)은 제1 유로부(61)의 제2 관통홀(61b)과, 제2 유로부(62)의 제4 관통홀(62b)과, 제3 유로부(63)의 제5 관통홀(63a)에 각각 연결된다. 그리고 제4 공급관(85)은 제2 배관(81)의 내부에서 제3 공급관(83)의 외주면과 제2 배관(81)의 내주면 사이에 다수 배치되며, 제3 공급관(83)의 외주면에 접촉 설치된다.

따라서 제1 열교환부(70)에 의해 제1,2 유로부(61,62)를 통과하면서 데워진 냉각수가 제4 공급관(85)을 통해 유출되고, 개질기(20)로부터 제3 공급관(83)을 통해 공급되는 비교적 높은 온도의 수소 가스와의 열 교환을 통해 더욱 가열된 상태로 제3 유로부(63)로 공급됨에 따라 바이폴라 플레이트(13)의 제1 배출부(17)를 통해 배출되는 미반응 공기를 증기화시킨다. 즉, 상기 가열된 냉각수가 제3 유로부(63)를 통과하면서 바이폴라 플레이트(13)의 미반응 공기가 배출되는 영역을 소정 온도로 가열함으로써 바이폴라 플레이트(13)의 제1 배출부(17)를 통해 배출되는 미반응 공기를 증기화시킨다.

또 다른 한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 제2 열교환부(80)에 의해 바이폴라 플레이트(13)의 제1 배출부(17)로부터 배출되는 미반응 공기를 증기화시킨 비교적 높은 온도의 냉각수와 연료 공급부(30)로부터 개질기(20)로 공급되는 연료와의 열 교환을 통해 상기한 연료를 예열시키는 제3 열교환부(90)를 구비한다.

도 8은 도 1에 도시한 제3 열교환부 부위를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 1 내지 도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 제3 열교환부(90)는 연료 공급부(30)와 개질기(20)에 각각 연결 설치되는 제5 공급관(93)과, 제3 유로부(63)와 연결 설치되는 적어도 하나의 제6 공급관(95)을 구비한다.

제5 공급관(93)은 연료 공급부(30)로부터 배출되는 연료를 개질기(20)에 공급하기 위한 것이다. 제5 공급관(93)은 연료 공급부(30)의 연료 탱크(31)와 개질기(20)의 유입구(21)에 연결되는 파이프 타입의 배관을 구비한다. 제5 공급관(93)은 이 공급관(93)의 외경 보다 상대적으로 큰 내경을 가진 제3 배관(91) 내에 설치된다.

제6 공급관(95)은 제2 열교환부(80)에 의해 제3 유로부(63)를 통과하면서 바이폴라 플레이트(13)의 제1 배출부(17)로 배출되는 미반응 공기를 증기화시킨 비교적 높은 온도의 냉각수를 제5 공급관(93) 측으로 공급하기 위한 것이다. 제6 공급관(95)은 일단이 폐쇄되고, 타단이 개방된 파이프 타입의 배관으로서 그 개방된 단부가 제3 유로부(63)의 제6 관통홀(63b)에 연결된다. 그리고 제6 공급관(95)은 제3 배관(91)의 내부에서 제5 공급관(93)의 외주면과 제3 배관(91)의 내주면 사이에 다수 배치되며, 제5 공급관(93)의 외주면에 접촉 설치된다.

따라서 제2 열교환부(80)에 의해 제3 유로부(63)를 통과하면서 바이폴라 플레이트(13)의 제1 배출부(17)로 배출되는 미반응 공기를 증기화시킨 비교적 높은 온도의 냉각수가 제6 공급관(95)을 통해 유출되고, 연료 공급부(30)로부터 제5 공급관(93)을 통해 공급되는 비교적 낮은 온도의 연료와의 열 교환을 통해 상기한 연료를 예열시키게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 시스템(100)의 초기 구동 모드시, 연료 공급부(30)의 연료 펌프(33)를 가동시켜 연료 탱크(31) 내에 저장된 액상의 연료를 제5 공급관(93)을 통해 개질기(20)로 공급한다. 그러면, 개질기(20)는 상기한 연료를 개질하여 수소 가스를 배출시킨다.

이어서, 상기한 수소 가스를 제3 공급관(83)을 통해 바이폴라 플레이트(13)의 제2 유입부(18)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 공급부(40)의 공기 펌프(41)를 가동시켜 외부 공기를 제1 공급관(73)을 통해 바이폴라 플레이트(13)의 제1 유입부(16)로 공급한다.

그러면 바이폴라 플레이트(13)는 제1 유로채널(14)을 통해 공기를 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 공급하게 되고, 제2 유로채널(15)을 통해 수소 가스를 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 공급하게 된다. 여기서 상기 연료와 수소 가스는 연료 펌프(33)의 소정 펌핑력에 의해 위와 같은 유로를 따라 유동될 수 있다. 이로서 스택(10)의 전기 생성부(11)에서는 이와 같은 수소 가스와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기와 물을 생성하게 된다. 이러는 과정을 거치는 동안, 전기 생성부(11)에서는 소정의 열이 발생하게 된다.

다음, 냉각수 펌프(53)를 가동시켜 냉각수를 냉각수 탱크(51)로부터 제2 공급관(75)을 통해 배출시킨다. 이 때 공기 공급부(40)는 공기 펌프(41)를 가동시켜 외부 공기를 제1 공급관(73)을 통해 바이폴라 플레이트(13)의 제1 유입부(16)로 공급하는 상태가 된다. 따라서 제2 공급관(75)을 통해 냉각수 탱크(51)로부터 배출되는 냉각수와 제1 공급관(73)을 통해 공급되는 공기와의 열 교환이 이루어지게 되고 상기한 냉각수가 더욱 냉각된 상태를 유지하게 된다.

다음, 상기한 냉각수를 제2 공급관(75)을 통해 제1,2 유로부(61,62)로 공급한다. 그러면, 상기 냉각수가 제1,2 유로부(61,62)를 통과하면서 바이폴라 플레이트(13)에 대해 수소 가스와 공기가 유입되는 영역에서의 온도 상승을 완만하게 하고, 바이폴라 플레이트(13)의 대략 중간 영역 이상에 대해서는 온도를 일정하게 유지시킨다. 여기서 상기한 냉각수는 냉각수 펌프(53)의 소정 펌핑력에 의해 위와 같은 유로를 따라 유동될 수 있다.

이어서, 상기 제1,2 유로부(61,62)를 통과한 냉각수를 제4 공급관(85)을 통해 배출시킨다. 이 때 개질기(20)는 연료 공급부(30)로부터 공급되는 연료를 개질하여 비교적 높은 온도의 수소 가스를 발생시키고, 그 수소 가스를 제3 공급관(83)을 통해 바이폴라 플레이트(13)의 제2 유입부(18)로 공급하는 상태가 된다.

이로서 제4 공급관(85)을 통해 제1,2 유로부(61,62)로부터 배출되는 냉각수와 제3 공급관(83)을 통해 공급되는 수소 가스와의 열 교환이 이루어지게 되고 상기한 냉각수가 더욱 가열된 상태를 유지하게 된다.

다음, 상기한 냉각수를 제4 공급관(85)을 통해 제3 유로부(63)로 공급한다. 이 때 스택(10)은 바이폴라 플레이트(13)의 제1 배출부(17)를 통해 수분을 다량 함유한 미반응 공기를 배출하는 상태가 된다. 그러면, 비교적 높은 온도의 냉각수가 제3 유로부(63)를 통과하면서 미반응 공기가 배출되는 영역을 소정 온도로 가열함으로써 바이폴라 플레이트(13)의 제1 배출부(17)를 통해 배출되는 미반응 공기를 증기화시킨다.

따라서 바이폴라 플레이트(13)의 제1 배출부(17)를 통해 배출되는 미반응 공기는 비교적 높은 온도를 유지하는 제3 유로부(65)에 의해 증기화됨으로써 응축 현상이 발생하지 않게 된다.

이어서, 상술한 바와 같이, 제3 유로부(63)를 통과한 냉각수를 제6 공급관(95)을 통해 배출시킨다. 이 때 연료 공급부(30)는 제5 공급관(93)을 통해 액상의 연료를 개질기(20)로 공급하는 상태가 된다.

이로서 제6 공급관(95)을 통해 제3 유로부(63)로부터 배출되는 비교적 높은 온도의 냉각수와 제5 공급관(93)을 통해 공급되는 연료와의 열 교환이 이루어져 상기한 연료를 예열시키게 된다. 이 때 상기한 열 교환을 통해 연료를 예열한 냉각수는 별도의 경로를 통해 냉각수 탱크(51)로 재공급될 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 시스템에 의하면, 바이폴라 플레이트의 전체 영역에 대해 소정의 온도 구배를 제공하여 전기 생성시 발생하는 열에 의해 전극-전해질 합성체가 손상되는 것을 방지함은 물론 스택으로부터 다량의 수분을 함유한 상태로 배출되는 미반응 공기를 증기화시킴으로써 궁극적으로 스택 및 개질기로부터 발생되는 열을 전체적인 시스템의 구동에 필요한 에너지원으로 활용할 수 있다. 따라서 전체적인 시스템의 성능 및 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래와 같은 별도의 냉각 플레이트를 배제하고 바이폴라 플레이트 자체에 냉각수가 통과하는 유로부를 마련하므로, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있는 장점을 갖는다.

도 2는 도 1에 도시한 스택 부위를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시한 바이폴라 플레이트 부위를 나타내 보인 사시도이다.

도 4는 도 3에 도시한 바이폴라 플레이트의 평면 구성도이다.

도 5는 도 3에 도시한 바이폴라 플레이트의 배면 구성도이다.

Claims

전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비한 스택;

수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기;

상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부;

상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부;

상기 스택으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부; 및

상기 바이폴라 플레이트에 형성되어 상기 냉각수 공급부로부터 공급되는 냉각수가 통과하도록 하는 적어도 하나의 유로부

를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연료 공급부가, 상기 개질기와 연결 설치되며 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 공기 공급부가, 상기 스택과 연결 설치되는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 냉각수 공급부가, 상기 유로부와 연결 설치되며 상기 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크와, 상기 냉각수 탱크에 연결 설치되는 냉각수 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 공기를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제1 유로채널이 상기 바이폴라 플레이트의 어느 한 쪽 면에 형성되고, 상기 수소 가스를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제2 유로채널이 바이폴라 플레이트의 나머지 한 쪽 면에 형성되는 연료 전지 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 바이폴라 플레이트가, 상기 제1 유로채널로 공기를 공급하는 제1 유입부와, 상기 제1 유로채널을 통과하면서 미반응된 공기를 배출하는 제1 배출부와, 상기 제2 유로채널로 수소 가스를 공급하는 제2 유입부와, 상기 제2 유로채널을 통과하면서 미반응된 수소 가스를 배출하는 제2 배출부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 유로부가, 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 공급되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제1 유로부와, 각각의 유로채널을 따라 수소 가스 및 공기가 유동되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제2 유로부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 제1 유로부가, 상기 냉각수가 유입되는 제1 관통홀과, 상기 냉각수가 유출되는 제2 관통홀과, 상기 제1 관통홀과 제2 관통홀을 연결하는 제1 홈을 포함하는 연료 전지 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 제2 유로부가, 상기 냉각수가 유입되는 제3 관통홀과, 상기 냉각수가 유출되는 제4 관통홀과, 상기 제3 관통홀과 제4 관통홀을 연결하는 제2 홈을 포함하는 연료 전지 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 유로부가, 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 배출되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제3 유로부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 제3 유로부가, 상기 제1,2 유로부를 통과한 냉각수가 유입되는 제5 관통홀과, 상기 냉각수가 배출되는 제6 관통홀과, 상기 제5 관통홀과 제6 관통홀을 연결하는 제3 홈을 포함하는 연료 전지 시스템.
전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비한 스택;

수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기;

상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부;

상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부;

상기 스택으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부;

상기 바이폴라 플레이트에 형성되어 상기 냉각수 공급부로부터 공급되는 냉각수가 통과하도록 하는 적어도 하나의 유로부; 및

상기 공기 공급부와 스택 사이에 배치되어 상기 공기 공급부와 스택에 연결 설치되며, 상기 냉각수 공급부와 유로부에 연결 설치되는 제1 열교환부

를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 12 항에 있어서,

상기 공기를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제1 유로채널이 상기 바이폴라 플레이트의 어느 한 쪽 면에 형성되고, 상기 수소 가스를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제2 유로채널이 바이폴라 플레이트의 나머지 한 쪽 면에 형성되는 연료 전지 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 유로부가, 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 공급되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제1 유로부와, 각각의 유로채널을 따라 수소 가스 및 공기가 유동되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제2 유로부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 14 항에 있어서,

상기 제1 열교환부가, 상기 공기 공급부와 바이폴라 플레이트에 연결 설치되어 상기 바이폴라 플레이트로 공기를 공급하는 제1 공급관과, 상기 냉각수 공급부와 제1,2 유로부에 각각 연결 설치되며 상기 제1 공급관에 접촉하도록 배치되는 적어도 하나의 제2 공급관을 포함하는 연료 전지 시스템.
전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비한 스택;

수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기;

상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부;

상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부;

상기 스택으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부;

상기 바이폴라 플레이트에 형성되어 상기 냉각수 공급부로부터 공급되는 냉각수가 통과하도록 하는 적어도 하나의 유로부;

상기 공기 공급부와 스택 사이에 배치되어 공기 공급부와 스택에 연결 설치되며, 상기 냉각수 공급부와 유로부에 연결 설치되는 제1 열교환부; 및

상기 개질기와 스택 사이에 배치되어 상기 개질기와 스택에 연결 설치되며, 상기 유로부와 연결 설치되는 제2 열교환부

를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 16 항에 있어서,

상기 공기를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제1 유로채널이 상기 바이폴라 플레이트의 어느 한 쪽 면에 형성되고, 상기 수소 가스를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제2 유로채널이 바이폴라 플레이트의 나머지 한 쪽 면에 형성되는 연료 전지 시스템.
제 17 항에 있어서,

상기 유로부가, 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 공급되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제1 유로부와, 각각의 유로채널을 따라 수소 가스 및 공기가 유동되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제2 유로부와, 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 배출되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제3 유로부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 18 항에 있어서,

상기 제2 열교환부가, 상기 개질기와 바이폴라 플레이트에 연결 설치되어 상기 바이폴라 플레이트로 수소 가스를 공급하는 제3 공급관과, 상기 제1,2,3 유로부에 각각 연결 설치되며 상기 제3 공급관에 접촉하도록 배치되는 적어도 하나의 제4 공급관을 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항 또는 제 19 항에 있어서,

상기 연료 공급부와 개질기 사이에 배치되어 상기 연료 공급부와 개질기에 연결 설치되며, 상기 유로부와 연결 설치되는 제3 열교환부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
제 20 항에 있어서,

상기 제3 열교환부가, 상기 연료 공급부와 개질기에 연결 설치되어 연료를 상기 개질기로 공급하는 제5 공급관과, 상기 제3 유로부에 연결 설치되며 상기 제5 공급관에 접촉하도록 배치되는 적어도 하나의 제6 공급관을 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항 또는 제 12 항 또는 제 16 항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 포함하고,

공기를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제1 유로채널이 상기 바이폴라 플레이트의 어느 한 쪽 면에 형성되고, 수소 가스를 전극-전해질 합성체로 유동시키는 제2 유로채널이 바이폴라 플레이트의 나머지 한 쪽 면에 형성되는 연료 전지 시스템의 스택.
제 23 항에 있어서,

냉각수가 통과하는 적어도 하나의 유로부가 상기 바이폴라 플레이트에 형성되는 연료 전지 시스템의 스택.
제 24 항에 있어서,

상기 유로부가, 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 공급되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제1 유로부와, 각각의 유로채널을 따라 수소 가스 및 공기가 유동되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제2 유로부를 포함하는 연료 전지 시스템의 스택.
제 25 항에 있어서,

상기 유로부가, 각각의 유로채널을 기준으로 수소 가스 및 공기가 배출되는 영역의 유로채널 외측에 형성되는 제3 유로부를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 스택.