KR20060020020A - Fuel cell system and stack - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 함유한 연료를 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하고, 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터에 의한 밀착 구조로 이루어지고, 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터는 임의의 기준 사각형에 대해 이 기준 사각형의 각 꼭지점이 내접하는 형상으로 이루어진다.Fuel cell system according to the present invention, at least one electricity generating unit for generating electrical energy through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; A fuel supply source for supplying a fuel containing hydrogen to the electricity generating section; And an oxygen supply source for supplying oxygen to the electricity generating unit, wherein the electricity generating unit has a close contact structure by a membrane-electrode assembly (MEA) and separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, respectively. The electrode assembly and separator are shaped such that each vertex of the reference rectangle is inscribed for any reference rectangle.
연료전지, 스택, 세퍼레이터, MEA, 활성영역, 원형, 타원형Fuel Cell, Stack, Separator, MEA, Active Area, Circular, Oval
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view illustrating a structure of a stack for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 도 2에 도시한 세퍼레이터 및 막-전극 어셈블리의 구조를 설명하기 위한 개략도이다.FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the structures of the separator and the membrane-electrode assembly shown in FIG. 2.
도 4는 본 발명의 실시예에 대한 세퍼레이터 및 막-전극 어셈블리의 변형예를 설명하기 위한 개략도이다.4 is a schematic view for explaining a modification of the separator and the membrane-electrode assembly according to the embodiment of the present invention.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지용 스택 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system having an improved stack structure for a fuel cell.
일반적으로, 연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소를 연료로 하여 일어나는 전기 화학 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 가지고 있다.In general, a fuel cell is a power generation system that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction generated by using hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol or natural gas as a fuel. . In particular, the fuel cell is characterized in that it can simultaneously use the electricity generated by the electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidant gas and heat by-products thereof without a combustion process.
근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 PEMFC라 한다)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있다.Polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs, hereinafter referred to as PEMFCs), which are being developed in recent years, have excellent output characteristics, low operating temperatures, and fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells.
상기와 같은 PEMFC가 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 필요하다.In order for the above PEMFC to basically have a system configuration, a fuel cell body (hereinafter referred to as a stack for convenience) called a stack, a fuel tank, and a fuel pump for supplying fuel from the fuel tank to the stack, etc. This is necessary. In the process of supplying the fuel stored in the fuel tank to the stack, a reformer for reforming the fuel to generate hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the stack is further needed.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly : MEA, 이하 MEA라 한다)와 세퍼레이터(separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트' 라고도 한다.)로 이루어진 단위의 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서 세퍼레이터는 대략 사각형의 형상으로 이루어지고, 상기 MEA를 사이에 두고 양측에 배치되어 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 MEA로 공급하는 역할과, 각 MEA의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한 다.In such a fuel cell system, a stack that substantially generates electricity is a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also referred to in the art as a bipolar plate). Cells of units consisting of several to several dozens have a stacked structure. Here, the separator has a substantially rectangular shape and is disposed on both sides with the MEA interposed therebetween to supply hydrogen gas and oxygen required for the reaction of the fuel cell to the MEA, and to connect the anode and cathode electrodes of each MEA in series. Simultaneously plays the role of connecting conductor.
한편, 상기한 연료 전지에 있어, 스택은 연료 전지의 효율을 향상시키기 위하여 MEA에 대해 세퍼레이터를 통과하는 수소 연료와 산소의 접촉 면적을 증대시킬 수 있도록 그 구조 설계를 요구받고 있는 바, 이의 중요한 설계 사항 중의 하나가 상기 세퍼레이터와 MEA의 형상이다. 즉, 상기 세퍼레이터와 MEA의 형상은 MEA의 활성 영역에 대하여 수소 연료와 산소가 MEA로 확산되는 성능과, MEA로부터 발생되는 전력량을 좌우하는 중요한 인자가 된다.On the other hand, in the fuel cell described above, the stack is required to have a structural design so as to increase the contact area of hydrogen fuel and oxygen passing through the separator with respect to the MEA in order to improve the efficiency of the fuel cell. One of the matters is the shape of the separator and the MEA. In other words, the shape of the separator and the MEA is an important factor that determines the performance of hydrogen fuel and oxygen diffusion into the MEA and the amount of power generated from the MEA in the active region of the MEA.
따라서, 연료 전지 시스템의 효율을 향상시키기 위하여, 종래와 같은 세퍼레이터와 MEA의 형상을 개선하여 MEA에 대해 세퍼레이터를 통과하는 수소 연료와 산소의 접촉 면적을 최적화하는 것이 중요한데, 지금까지의 세퍼레이터는 이를 구체화한 것이 없어 연료 전지의 효율 향상에 도움을 주지 못하고 있는 실정이다.Therefore, in order to improve the efficiency of the fuel cell system, it is important to optimize the contact area of hydrogen fuel and oxygen passing through the separator with respect to the MEA by improving the shape of the separator and the MEA as in the prior art. There is nothing that does not help to improve the efficiency of the fuel cell.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 세퍼레이터와 MEA의 형상을 개선하여 MEA의 활성 영역에 대한 수소와 산소의 단위 면적당 접촉 면적을 증대시키는 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system which improves the shape of the separator and the MEA to increase the contact area per unit area of hydrogen and oxygen to the active region of the MEA.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며,In order to achieve the above object, a stack for a fuel cell system according to the present invention includes at least one electricity generating unit for generating electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen,
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면 에 각각 배치되는 세퍼레이터에 의한 밀착 구조로 이루어지고,The electricity generating unit is made of a close contact structure by a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly,
상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터는 임의의 기준 사각형에 대해 이 기준 사각형의 각 꼭지점이 내접하는 형상으로 이루어진다.The membrane-electrode assembly and separator are shaped such that each vertex of the reference rectangle is inscribed with respect to any reference rectangle.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 각각의 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리의 일면에 밀착되어 수소 통로를 형성하고, 다른 일면측에 밀착되어 공기 통로를 형성할 수 있다.In the stack for a fuel cell system according to the present invention, each separator may be in close contact with one surface of the membrane-electrode assembly to form a hydrogen passage, and may be in close contact with another surface to form an air passage.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 기준 사각형이 정사각형인 경우, 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터가 원형으로 이루어지는 것이 바람직하다.In the stack for a fuel cell system according to the present invention, when the reference rectangle is square, the membrane-electrode assembly and the separator are preferably circular.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 기준 사각형이 직사각형인 경우, 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터가 타원형으로 이루어지는 것이 바람직하다.In the stack for a fuel cell system according to the present invention, when the reference rectangle is rectangular, the membrane-electrode assembly and the separator are preferably oval.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 통로가 상기 세퍼레이터의 일면에 나선형으로 형성될 수 있다.In addition, in the stack for a fuel cell system according to the present invention, the passage may be formed spirally on one surface of the separator.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 통로의 시작단과 연통하는 유입부를 관통 형성하고, 상기 통로의 끝단과 연통하는 유출부를 관통 형성할 수 있다.In the stack for a fuel cell system according to the present invention, the separator may be formed to penetrate an inflow portion communicating with the start end of the passage, and an outlet portion communicating with the end of the passage.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 함유한 연료를 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하고,In addition, the fuel cell system according to the present invention to achieve the above object, at least one electricity generating unit for generating electrical energy through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; A fuel supply source for supplying a fuel containing hydrogen to the electricity generating section; And an oxygen supply source for supplying oxygen to the electricity generator,
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터에 의한 밀착 구조로 이루어지고,The electricity generating unit is made of a close contact structure by a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly,
상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터는 임의의 기준 사각형에 대해 이 기준 사각형의 각 꼭지점이 내접하는 형상으로 이루어진다.The membrane-electrode assembly and separator are shaped such that each vertex of the reference rectangle is inscribed with respect to any reference rectangle.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크; 및 상기 연료 탱크와 연결 설치되는 연료 펌프를 포함할 수 있다.A fuel cell system according to the present invention, wherein the fuel supply source comprises: a fuel tank for storing the fuel; And it may include a fuel pump connected to the fuel tank.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 연료 탱크와 전기 발생부 사이에 배치되어 상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함할 수도 있다.Further, in the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply source is disposed between the fuel tank and the electricity generating unit to receive fuel from the fuel tank to generate hydrogen gas, and supply the hydrogen gas to the electricity generating unit. It may also include a reformer.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the oxygen supply source may include at least one air pump that sucks air and supplies the air to the electricity generator.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되어 이 전기 발생부의 적층 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.In addition, in the fuel cell system according to the present invention, a plurality of the electric generators may be provided to form a stack having a stacked structure of the electric generators.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리의 일면에 밀착되어 수소 통로를 형성하고, 다른 일면측에 밀착되어 공기 통로를 형성한다. In the fuel cell system according to the present invention, the separators are in close contact with one surface of the membrane-electrode assembly to form a hydrogen passage, and are in close contact with the other surface to form an air passage.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 기준 사각형이 정사각형인 경우, 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터가 원형으로 이루어지는 것이 바람직하다.In the fuel cell system according to the present invention, when the reference rectangle is square, the membrane-electrode assembly and the separator are preferably circular.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 기준 사각형이 직사각형인 경우, 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터가 타원형으로 이루어지는 것이 바람직하다.In the fuel cell system according to the present invention, when the reference rectangle is rectangular, the membrane-electrode assembly and the separator are preferably oval.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 통로가 상기 세퍼레이터의 일면에 나선형으로 형성될 수 있다.In addition, in the fuel cell system according to the present invention, the passage may be formed spirally on one surface of the separator.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 통로의 시작단과 연통하는 유입부를 관통 형성하고, 상기 통로의 끝단과 연통하는 유출부를 관통 형성할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the separator may pass through an inflow portion communicating with the start end of the passage and through the outflow portion communicating with the end of the passage.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식을 채용한다.The fuel cell system according to the present invention configured as described above employs a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method.
대안으로서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다.As an alternative, the fuel cell system according to the present invention may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method.
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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략 적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
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 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.Referring to the
이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 포함한다.In the
그리고 본 시스템(100)은 수소와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.The
상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 연료 공급원(30)과, 공기를 스택(10)으로 공급하는 산소 공급원(40)을 포함한다.The
스택(10)은 연료 공급원(30)과 산소 공급원(40)에 연결 설치되어 이 연료 공급원(30)으로부터 상기 수소 가스를 공급받고, 산소 공급원(40)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소 가스와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지로 구성된다.The
연료 공급원(30)은 전술한 바 있는 협의의 연료를 저장하는 연료 탱크(31) 와, 이 연료 탱크(31)에 연결 설치되어 소정의 펌핑력으로 상기한 연료를 배출시키는 연료 펌프(33)와, 연료 탱크(31)로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 개질기(35)를 포함한다.The
그리고 산소 공급원(40)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 스택(10)으로 공급하는 공기 펌프(41)를 포함하고 있다.The
상기 연료 공급원(30)에 있어 개질기(35)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(35)는 일 례로서, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 개질기(35)는 일 례로서, 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.
대안으로서, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)은 전술한 바 있는 협의의 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 연료 전지는 전술한 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기(35)를 필요로 하지 않는다. 이하에서는 고분자 전해질 형 연료 전지 방식을 적용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
As an alternative, the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시 연료 공급원(30)의 개질기(35)를 통해 발생되는 수소 가스와 공기 펌프(41)에 의해 흡입되는 공기를 스택(10)으로 공급하게 되면, 스택(10)에서는 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.
본 발명에 있어 상기한 스택(10)을 구성하는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.With reference to the accompanying drawings, an embodiment constituting the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view illustrating a structure of a stack for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도면을 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한다.)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(13)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부(11)를 포함하여 이루어진다. 따라서 위와 같은 복수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 적층 배치함으로써 본 실시예에 의한 적층 구조의 스택(10)을 형성할 수 있다.Referring to the drawings, the
상기한 세퍼레이터(13) 사이에 개재되는 MEA(12)는 이의 양면에 애노드 전극과 캐소드 전극(도시하지 않음)이 위치하고, 상기 두 전극 사이에 전해질막(도시하지 않음)을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 세퍼레이터(13)를 통해 공급되는 수소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 세퍼레이터(13)를 통해 공급되는 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온 및 전자를 환 원 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.The
그리고 세퍼레이터(13)는 MEA(12)를 사이에 두고 서로 밀착 배치되어, MEA(12)의 양측에 각각 수소 통로(15)와 공기 통로(17)를 형성한다. 여기서 수소 통로(15)는 MEA(12)의 애노드 전극 측에 위치하는 일측 세퍼레이터(13)에 형성되어 개질기(35)로부터 공급되는 수소 가스를 애노드 전극으로 공급하는 역할을 한다. 그리고 공기 통로(17)는 MEA(12)의 캐소드 전극 측에 위치하는 다른 일측 세퍼레이터(13)에 형성되어 공기 펌프(41)로부터 공급되는 공기 중의 산소를 캐소드 전극으로 공급하는 역할을 한다. 이에 더하여, 상기 세퍼레이터(13)는 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 가진다.The
도 3은 도 2에 도시한 세퍼레이터의 구조를 설명하기 위한 개략도로서, 본 발명의 실시예에 따른 상기 각각의 세퍼레이터(13)는 도면에 가상선으로 도시한 정사각형의 기준 사각형(A)을 기준으로, 이 기준 사각형(A)의 각 꼭지점이 동심원의 내측에서 접하는 형상, 즉 원형의 형상으로 이루어진다. 이 때 상기 기준 사각형(A)은 종래와 같은 정사각 형상의 세퍼레이터를 의미한다. FIG. 3 is a schematic view for explaining the structure of the separator shown in FIG. 2, wherein each of the
구체적으로, 본 실시예에 의한 상기 세퍼레이터(13)는 기준 사각형(A)의 대각선 길이와 동일한 직경을 갖는 원형의 형태로 이루어지는 바, 종래의 세퍼레이터와 동일한 길이의 외주를 가지면서 종래의 세퍼레이터 보다 도면에 빗금친 부분 만큼 더 넓은 면적을 갖는다.
Specifically, the
상기 세퍼레이터(13)에 있어 수소 가스와 공기를 통과시키는 수소 통로(15)와 공기 통로(17)는 도 2를 통해 알 수 있듯이, 세퍼레이터(13)의 가장자리 부분으로부터 중심 부분을 향하는 나선형으로 형성되고 있다. 이 때 상기 세퍼레이터(13)는 상기 수소 통로(15)와 공기 통로(17)의 시작단에 연결되어 수소 가스와 공기를 주입하도록 하는 유입부(15a, 17a)와, 상기 수소 통로(15)와 공기 통로(17)의 끝단에 연결되어 이 수소 통로(15)와 공기 통로(17)를 통과하면서 MEA(12)와 반응하고 남은 수소 가스 및 공기를 배출시키도록 하는 유출부(15b, 17b)를 형성하고 있다.In the
그리고 상기한 구조의 양 세퍼레이터(13) 사이에 개재되는 MEA(12)는 세퍼레이터(13)와 같은 원형의 형상으로 이루어진다. 상기 MEA(12)는 세퍼레이터(13)와 마찬가지로, 정사각형으로 이루어지는 종래의 MEA를 의미하는 기준 사각형(A)의 각 꼭지점이 동심원의 내측에서 접하는 원형의 형상으로 이루어진다. 즉, 상기 MEA(12)는 기준 사각형(A)의 대각선 길이와 동일한 직경을 갖는 원형의 형태로 이루어지는 바, 종래의 MEA와 동일한 길이의 외주를 가지면서 종래의 MEA 보다 넓은 면적을 갖는다(도 3 참조). 다시 말하면, 상기 MEA(12)는 종래의 MEA 보다 더 넓은 면적의 활성 영역(12a)를 형성하고 있는 것이다. 그리고 상기 MEA(12)의 가장자리 부분에는 MEA(12)의 활성 영역(12a)에 상응하는 세퍼레이터(13)의 밀착면 가장자리 부분을 실링하는 실링재 바람직하게는, 가스켓(12b)을 형성하고 있다.The
따라서 상기와 같은 MEA(12)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(13)를 밀착 배치하여 전기 발생부(11)를 형성하고, 이 전기 발생부(11)를 복수로 구비하여 본 실시예에 의한 스택(10)을 형성한다. 이 때 상기 스택(10)의 최 외곽에는 상 기한 복수의 전기 발생부(11)를 가압하여 밀착시키는 가압 플레이트(29)가 위치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 가압 플레이트(29)를 배제하고, 복수의 전기 발생부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(13)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수 있다. 또한 가압 플레이트(29)가 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 세퍼레이터(13)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다. 이 때 상기한 가압 플레이트(29)는 도면에 가상선으로 도시한 바와 같이, 사각형의 형상으로 이루어지는데, 반드시 이에 한정되지 않고 원형 등의 다양한 형태로 형성될 수도 있다.Therefore, the
대안으로서, 본 실시예에 의한 세퍼레이터(13) 및 MEA(12)의 형상은 위에서 설명한 바와 같이, 종래와 같은 정사각형의 세퍼레이터 및 MEA와 동일한 길이의 외주를 가지면서 면적을 최적화시킬 수 있는 원형으로 예시되고 있으나, 이의 형상에 국한되지 않고, 사각형을 제외한 다각형의 형상으로 형성될 수도 있다.As an alternative, the shapes of the
상기와 같은 스택(10)을 가진 본 시스템(100)의 작용시 세퍼레이터(13)의 수소 통로(15)를 통해 MEA(12)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되는 반면, 세퍼레이터(13)의 공기 통로(17)를 통해 캐소드 전극으로 산소를 함유한 공기가 공급된다. 따라서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응을 통해 수소 가스를 전자와 수소 이온(프로톤)으로 분해한다. 이 때 상기한 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(13)를 통해 이웃하는 MEA(12)의 캐소드 전극으로 이동하게 되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시키고, 부수적으로 열과 수분을 발생시킨다.
In the operation of the
따라서 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)은 종래의 MEA와 세퍼레이터의 외주와 동일한 길이의 외주를 가지면서 상대적으로 면적이 넓은 원형의 MEA(12)와 세퍼레이터(13)를 구비함에 따라, 종래와 달리 MEA(12)의 활성 영역(12a)에 대한 수소 가스와 공기의 접촉 면적을 극대화시킬 수 있으므로, 상기 활성 영역(12a)의 단위 면적당 전력 생산량을 증진시켜 결과적으로는 연료 전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.Accordingly, the
도 4는 본 발명의 실시예에 대한 세퍼레이터 및 막-전극 어셈블리의 변형예를 설명하기 위한 개략도이다.4 is a schematic view for explaining a modification of the separator and the membrane-electrode assembly according to the embodiment of the present invention.
도면을 참고하면, 이 경우는 직사각형으로 이루어진 기준 사각형(B)을 기준으로, 이 기준 사각형(B)의 각 꼭지점이 동심원의 내측에서 접하는 타원형의 형상으로 이루어지는 MEA(52)와 세퍼레이터(53)를 구성할 수 있다.Referring to the drawings, in this case, the
구체적으로, 상기 MEA(52) 및 세퍼레이터(53)는 기준 사각형(B)과 상응하는 종래의 세퍼레이터와 동일한 길이의 외주를 가지면서 종래의 세퍼레이터 보다 도면에 빗금친 부분 만큼 더 넓은 면적을 갖는다.In detail, the
따라서 본 변형예에 의하면, 종래의 MEA와 세퍼레이터의 외주와 동일한 길이의 외주를 가지면서 상대적으로 면적이 넓은 타원형의 MEA(52)와 세퍼레이터(53)를 구비함에 따라, 종래와 달리 MEA(52)의 활성 영역에 대한 수소 가스와 공기의 접촉 면적을 극대화시킬 수 있으므로, 상기 활성 영역의 단위 면적당 전력 생산량을 증진시켜 결과적으로는 연료 전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.Therefore, according to the present modification, the
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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 종래와 달리 MEA와 세퍼레이터의 형상을 개선함에 따라, MEA의 활성 영역에 대한 수소 가스와 공기의 확산 성능 및 수소 가스와 공기의 단위 면적당 접촉 면적을 증대시켜 연료 전지의 전력 생산량(연료 전지의 성능)을 더욱 향상시킬 수 있는 효과 있다.As described above, according to the fuel cell system according to the present invention, unlike the prior art, as the shape of the MEA and the separator is improved, the diffusion performance of hydrogen gas and air with respect to the active area of the MEA and the contact area per unit area of the hydrogen gas and air By increasing the power consumption of the fuel cell (performance of the fuel cell) can be further improved.
Claims (18)
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