KR20060020022A - 연료 전지용 스택과 이를 갖는 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원; 냉매를 상기 전기 발생부로 공급하는 냉매 공급원; 및 상기 전기 발생부에 설치되어 상기 냉매 공급원으로부터 공급되는 냉매에 의하여 상기 전기 발생부에서 발생하는 열을 방출시키는 냉각부를 포함하며, 상기 냉각부는 상기 세퍼레이터에 밀착 배치되는 방열부재와, 상기 방열부재와 세퍼레이터 사이에 형성되는 열전도성 접착부재를 구비한다.

연료전지, 스택, 전기발생부, 세퍼레이터, 냉매, 냉각부, 방열부재, 열전도성, 접착부재, 두께, 크기, 위치

Description

연료 전지용 스택과 이를 갖는 연료 전지 시스템{STACK FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM WITH THE SAME}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 스택 부위를 도시한 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 스택 부위를 도시한 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각효율을 개선한 연료 전지용 스택 및 이를 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기 발생 시스템이다.

이 연료 전지는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다.

이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 또는 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

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 펌프등이 필요하다. 그리고 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)를 포함할 수 있다. 따라서, PEMFC는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택은 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산해 내게 된다.

한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 DMFC라 한다) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 DMFC는 PEMFC와 달리, 개질기가 배제된다.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly : MEA)와 세퍼레이터(Separator)(당 업계에서는 '바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)' 라고도 한다.)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 산소 가스와 연료 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 MEA의 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 산소 가스가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료 가스의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소 가스의 전기 화학적인 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.

이러한 연료 전지 시스템은 적정한 운전 온도를 벗어나는 경우 전해질막의 역할 수행 능력이 떨어지고 안정성을 보장할 수 없으며 심한 경우 연료전지를 손상시키게 된다. 이에 상기 연료 전지 시스템에는 공랭식 또는 수냉식의 냉각수단이 구비되어 운전과정에서 스택 내부에 발생되는 열을 지속적으로 제거하게 된다.

그런데, 상기 종래의 냉각방식의 경우 스택의 모든 부위에 대해 모두 동일한 냉각방식이 적용되므로 실질적으로 위치에 따라 상이한 온도 분포를 나타내는 각 스택을 효과적으로 냉각시키기 어려웠다.

즉, 스택에서 발생되는 열은 그 위치에 따라 온도가 달라지게 되며, 예컨대 적층되어 있는 스택의 단위 셀들 중 중앙부에 위치한 단위 셀은 외측에 위치한 단위 셀보다 높은 온도 분포를 보이는 반면, 이의 냉각을 위한 종래의 장치 구성은 스택의 위치에 따른 온도 분포를 고려하지 않고 스택의 모든 부위에 획일적인 구성으로 적용되고 있어 스택의 전체에 대한 냉각 효율을 최상으로 이루지 못하고 있다.

이에 따라 종래의 연료 전지용 시스템은 적층 상태의 각 단위 셀에서 발생된 열이 고르게 방열되지 않아 이로부터 일어나는 스택의 성능 저하로 인해 그 전체적인 효율을 떨어뜨리고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 그 목적은 스택 전체에 걸쳐 온도 분포를 고르게 유지할 수 있도록 된 연료 전지용 스택 및 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 세퍼레이터에 밀착 배치되어 상기 전기 발생부에서 발생되는 열을 방출시키는 방열부재; 및 상기 방열부재와 세퍼레이터 사이에 형성되어 상기 방열부재와 세퍼레이터를 접합시키는 열전도성 접착부재를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되어 이들 전기 발생부에 의한 집합체를 형성하고, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 상기 방열부재를 설치하고 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 전기 발생부는 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 높은 발열 온도를 나타내는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 방열부재는 상기 세퍼레이터 보다 높은 열전도도를 가지면서 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 크기가 커지도록 구비되어 상기 전기 발생부의 위치에 따라 열방출율이 상이한 구조로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 방열부재는 알루미늄이나 구리, 철 등의 금속 재질 군에서 선택되는 금속판을 구비할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 방열부재는 냉매가 유통되는 홀이 적어도 하나 이상 형성될 수도 있다. 이 경우 상기 홀은 전기 발생부의 위치에 따라 외측에서 중앙부로 갈수록 그 크기가 커지도록 형성되는 것이 바람직하다. 이 때 상기 냉매는 공기를 사용할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 접착부재가 실리콘 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부; 수 소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원; 냉매를 상기 전기 발생부로 공급하는 냉매 공급원; 및 상기 전기 발생부에 설치되어 상기 냉매 공급원으로부터 공급되는 냉매에 의하여 상기 전기 발생부에서 발생하는 열을 방출시키는 냉각부를 포함하며,

상기 냉각부는 상기 세퍼레이터에 밀착 배치되는 방열부재와, 상기 방열부재와 세퍼레이터 사이에 형성되는 열전도성 접착부재를 구비한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되어 이들 전기 발생부의 집합체에 의한 스택을 형성할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 전기 발생부는 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 높은 발열 온도를 나타내며, 상기 방열부재는 상기 세퍼레이터 보다 높은 열전도도를 가지면서 상기 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 크기가 커지도록 구비되어 상기 전기 발생부의 위치에 따라 열방출율이 상이한 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 방열부재는 알루미늄이나 구리, 철 등의 금속 재질 군에서 선택되는 금속판을 구비할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 방열부재는 냉매가 유통되는 홀이 적어도 하나 이상 형성될 수도 있다. 이 경우 상기 홀은 전기 발생부의 위치에 따라 외측에서 중앙부로 갈수록 그 크기가 커지도록 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉매 공급부는 상 기 전기 발생부로 냉각 공기를 공급하는 팬을 구비하고, 상기 팬이 스택의 외형을 이루는 하우징에 설치될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 접착부재가 실리콘 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함할 수 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 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도면을 참고하면, 본 시스템(100)은 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스 중에 함유된 수소와 별도로 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 포함한다.

그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의한 다.

그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소로서 별도의 저장유니트에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(16)과, 전술한 바 있는 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택(16)으로 공급하는 연료 공급원(10)과, 공기를 스택(16)으로 공급하는 산소 공급원(12)을 포함한다.

스택(16)은 연료 공급원(10)과 산소 공급원(12)에 연결 설치되어 이 연료 공급원(10)으로부터 상기 수소 가스를 공급받고, 산소 공급원(12)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소 가스와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지로 구성된다.

연료 공급원(10)은 전술한 바 있는 연료를 저장하는 연료 탱크(22)와, 이 연료 탱크(22)에 연결 설치되어 소정의 펌핑력으로 상기한 연료를 배출시키는 연료 펌프(24)와, 연료 탱크(22)로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 스택(16)으로 공급하는 개질기(18)를 포함한다.

그리고 산소 공급원(12)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 스택(16)으로 공급하는 공기 펌프(26)를 포함하고 있다.

상기 연료 공급원(10)에 있어 개질기(18)는 연료 탱크(22)와 스택(16) 사이에 배치되어 상기 연료 탱크(22)와 스택(16)에 각각 연결 설치된다. 이러한 개질기 (18)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(18)는 일 례로서, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 개질기(18)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 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기 연료를 직접 스택(16)으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 위와 같은 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 도 1에 도시한 개질기(18)가 배제된 구조를 갖는다. 그러나, 이하에서는 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명할 뿐, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어 상기한 스택(16)을 구성하는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 스택 부위를 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.

이 도면을 참조하여 스택(16)을 설명하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(16)은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한 다.)(32)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(34)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부(30)를 포함하여 이루어진다. 따라서 위와 같은 전기 발생부(30)를 복수로 구비하고 이들을 연속적으로 적층 배치함으로써 본 실시예에 의한 집합체 구조의 스택(16)을 형성할 수 있다.

상기 MEA(32)는 일면에 애노드 전극이 위치하고 다른 일면에 캐소드 전극(도시하지 않음)이 위치하며, 상기 두 전극 사이에 전해질막(도시하지 않음)을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 세퍼레이터(34)를 통해 공급되는 수소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 세퍼레이터(34)를 통해 공급되는 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온 및 전자를 환원 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.

그리고 세퍼레이터(34)는 MEA(32)를 사이에 두고 서로 밀착 배치되어, 개질기(18)에서 발생되는 수소 가스와 공기 펌프(26)에 의해 흡입되는 공기를 MEA(32)의 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 공급하는 기능 외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다.

상기와 같이 구성된 연료 전지 시스템(100)의 작용시 상기 전기 발생부(30)에서는 전술한 바 있는 환원 반응에 의해 열이 발생하게 된다. 이 열은 MEA(32)를 건조시켜 스택(16)의 성능을 저하시키는 요인으로 작용한다.

이에 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 냉각 매체(이하에서는 "냉매" 라고 한다.)를 스택(16) 내부로 순환시켜 전기 발생부(30)에서 발생하는 열을 냉각시키는 구조로 이루어진다.

이를 위하여 본 시스템(100)은 상기 냉매를 스택(16) 내부로 공급하는 냉매 공급원(14)과, 상기 냉매에 의하여 전기 발생부(30)에서 발생되는 열을 방출시키도록 상기 전기 발생부(30)에 설치되는 냉각부(50)를 구비하고 있다.

상기 냉매 공급원(14)은 냉매를 흡입하여 이 냉매를 전기 발생부(30)로 공급하는 구조로 이루어지며, 바람직하게는 소정의 회전력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 전기 발생부(30)로 공급하는 팬(28)을 포함한다. 이 때 상기 팬(28)은 도 3에 가상선으로 도시한 바와 같이, 스택(16) 전체를 감싸는 하우징(17)에 설치되어 각각의 전기 발생부(30)로 공기를 분출시키는 것이 바람직하다.

상기 냉각부(50)는 서로 이웃하는 전기 발생부(30)의 세퍼레이터(34) 사이에 개재되어 상기 전기 발생부(30)에서 발생되는 열을 실질적으로 방출시키는 방열부재(51)와, 이 방열부재(51)와 세퍼레이터(34) 사이에 형성되어 상기 방열부재(51)와 세퍼레이터(34)를 실질적으로 접착시키는 열전도성 접착부재(55)를 포함한다.

본 실시예에 따르면, 상기 방열부재(51)는 열전도도가 상기 세퍼레이터(34)보다 상대적으로 높은 열전도매체인 금속 플레이트로서, 상기 세퍼레이터(34)에 부착 설치된다. 이 경우 상기 방열부재(51)는 스택(16) 전체에 있어 전기 발생부(30)의 위치에 따라 그 크기가 상이한 구조로 되어 있다. 즉, 본 실시예에서 상기 방열 부재(51)는 스택(16)의 측부에서 중앙부로 갈수록 그 두께가 점차적으로 두꺼워지는 구조로 되어 있다.

본 실시예에서 상기 방열부재(51)는 박판 형태로 이루어져 세퍼레이터(34)의 외측면 즉, MEA(32)와 접하는 면의 반대쪽 면 전체에 걸쳐 설치되며, 그 두께에 대해서는 특정한 값으로 특별하게 한정되지 않는다.

또한, 본 실시예에서 상기 세퍼레이터(34)가 통상 흑연 재질로 이루어지는 것을 고려할 때, 상기 방열부재(51)는 흑연보다 상대적으로 열전도도가 높은 알루미늄이나 구리, 철 등의 재질에서 선택됨이 바람직하나, 이 또한 이것으로 한정되는 것은 아니다.

이와 같이 상기 방열부재(51)의 두께를 스택(16) 전체에 대한 전기 발생부(30)들의 위치에 따라 상이하게 하도록 한 것은 본 시스템(100)의 작동시, 스택(16)의 중앙부에 위치한 전기 발생부(30)에서의 온도가 스택(16)의 양측부로 갈수록 이 위치에 위치한 전기 발생부(30)의 온도 보다 높기 때문에, 이를 고려하여 상기와 같이 상이한 두께를 갖는 방열부재(51)를 전기 발생부(30) 사이에 배치함으로써, 스택(16)의 중앙부에 위치한 방열부재(51)가 이의 외측에 위치하는 방열부재(51) 보다 상대적으로 많은 양의 열을 외부로 방출시키도록 하기 위함이다.

따라서 언급한 바와 같이, 상기 스택(16)에 있어서 그 위치별로 방열부재(51)의 두께가 상이함에 따라, 스택(16) 중앙부에서 발생하는 열을 스택(16)의 측부 보다 더욱 낮출 수 있게 되어 스택(16)의 전 영역에서 고른 온도 분포를 이룰 수 있게 된다.

한편, 상기와 같이 구성되는 방열부재(51)를 세퍼레이터(34)에 부착시키기 위한 열전도성 접착부재(55)는 방열부재(51)와 세퍼레이터(34) 사이에 형성되고 있다.

이러한 접착부재(55)는 방열부재(51)와 세퍼레이터(34)의 접촉 저항을 줄여 상기 방열부재(51)의 방열 효율을 더욱 향상시킴은 물론, 전체적인 스택(16)의 내구성을 향상시키기 위한 것이다.

바람직하게, 상기 접착부재(55)는 열전도도가 양호한 통상적인 실리콘 소재로 형성되며, 서로 마주하는 방열부재(51)의 일면 또는 세퍼레이터(34)의 일면에 페이스트 상태로 도포 형성되어 막 형태로 고형화 된 구조로 이루어진다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 스택 부위를 도시한 단면 구성도이다.

도 4를 참고하면, 본 실시예에 의한 스택(16A)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 서로 이웃하는 전기 발생부(30)의 세퍼레이터(34) 사이에 개재되는 방열부재(51A)에 냉매 공급원(14)으로부터 공급되는 냉매를 통과시키는 홀(53)을 형성하고 있다.

본 실시예에 따르면, 상기한 홀(53)은 스택(16A)의 양쪽 측면에서 중앙쪽으로 갈수록 그 크기가 점차 커지도록 형성되고 있다. 여기서 상기 스택(16A)의 최외측에 놓여져 있는 방열부재(51A)의 홀(53)과 스택(16A)의 중앙부에 위치하는 방열부재(51A)의 홀(53) 간의 크기 차이는 어느 특정값으로 특별히 한정되지 않는다.

따라서 본 실시예에서는 스택(16A)의 측부에서 중앙부로 갈수록 전기 발생부 (30)에서 발생되는 온도가 높아지는 것을 고려하여, 전기 실시예에서와 같이 상이한 두께를 갖는 방열부재(51A)를 전기 발생부(30) 사이에 배치하고 상기와 같이 상이한 크기를 갖는 홀(53)을 방열부재(51A)에 형성함으로써, 이 홀(53)을 통해 냉각용 공기가 스택(16A)의 중앙부에 위치한 방열부재(51A)에 더욱 많이 유통되도록 하여 상기 중앙부에 위치한 방열부재(51A)가 스택(16A)의 외측에 위치한 방열부재(51A) 보다 상대적으로 많은 양의 열을 냉각시킬 수 있게 된다.

이로써 언급한 바와 같이 상기 스택(16A)에 있어서 그 위치별로 방열부재(51A)의 두께 및 이 방열부재(51A)에 형성된 홀(53)의 크기가 상이함에 따라, 스택(16A)의 측부 보다 중앙부에서 방열부재(51A)로 더 많은 양의 공기가 유통되어, 이에 의해 스택(16A) 중앙부의 열을 스택(16A) 측부 보다 더욱 낮출 수 있게 되어 스택(16A)의 전 영역에서 고른 온도 분포를 유지시킬 수 있게 된다.

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.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 방열부재의 두께 및/또는 이 방열부재에 형성되는 홀의 크기를 상이하게 하여 스택 전체에 걸쳐 온도 분포를 고르게 하고 적정 수준으로 유지 관리할 수 있다.

또한, 방열부재와 세퍼레이터를 부착시키는 열전도성 접착부재를 구비하므 로, 방열부재와 세퍼레이터 사이의 접촉 저항을 줄여 방열부재의 방열 효율을 더욱 향상시킴은 물론, 전체적인 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다.

Claims (18)

1. 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부;

   상기 세퍼레이터에 밀착 배치되어 상기 전기 발생부에서 발생되는 열을 방출시키는 방열부재; 및

   상기 방열부재와 세퍼레이터 사이에 형성되어 상기 방열부재와 세퍼레이터를 접합시키는 열전도성 접착부재

   를 포함하는 연료 전지용 스택.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기 발생부가 복수로 구비되어 이들 전기 발생부에 의한 집합체를 형성하고,

   서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 상기 방열부재를 설치하는 연료 전지용 스택.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 전기 발생부는 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 높은 발열 온도를 나타내는 연료 전지용 스택.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 방열부재는 상기 세퍼레이터 보다 높은 열전도도를 가지면서 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 크기가 커지도록 구비되어 상기 전기 발생부의 위치에 따라 열방출율이 상이한 구조로 이루어진 연료 전지용 스택.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 방열부재는 알루미늄이나 구리, 철 등의 금속 재질 군에서 선택되는 금속판인 연료 전지용 스택.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 방열부재는 냉매가 유통되는 홀이 적어도 하나 이상 형성되는 연료 전지용 스택.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 홀은 전기 발생부의 위치에 따라 외측에서 중앙부로 갈수록 그 크기가 커지도록 형성되는 연료 전지용 스택.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 냉매가 공기인 연료 전지용 스택.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 접착부재가 실리콘 소재로 이루어지는 연료 전지용 스택.
10. 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부;

    수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원;

    산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원;

    냉매를 상기 전기 발생부로 공급하는 냉매 공급원; 및

    상기 전기 발생부에 설치되어 상기 냉매 공급원으로부터 공급되는 냉매에 의하여 상기 전기 발생부에서 발생하는 열을 방출시키는 냉각부

    를 포함하며,

    상기 냉각부는 상기 세퍼레이터에 밀착 배치되는 방열부재와, 상기 방열부재와 세퍼레이터 사이에 형성되는 열전도성 접착부재를 구비하는 연료 전지 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 전기 발생부가 복수로 구비되어 이들 전기 발생부의 집합체에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 각각의 전기 발생부는 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 높은 발열 온 도를 나타내며,

    상기 방열부재는 상기 세퍼레이터 보다 높은 열전도도를 가지면서 상기 스택의 외측에서 중앙부로 갈수록 크기가 커지도록 구비되어 상기 전기 발생부의 위치에 따라 열방출율이 상이한 구조로 이루어진 연료 전지 시스템.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 방열부재는 알루미늄이나 구리, 철 등의 금속 재질 군에서 선택되는 금속판인 연료 전지 시스템.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 방열부재는 냉매가 유통되는 홀이 적어도 하나 이상 형성되는 연료 전지 시스템.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 홀은 전기 발생부의 위치에 따라 외측에서 중앙부로 갈수록 그 크기가 커지도록 형성되는 연료 전지 시스템.
16. 제 11 항에 있어서,

    상기 냉매 공급부는 상기 전기 발생부로 냉각 공기를 공급하는 팬을 구비하고, 상기 팬이 스택의 외형을 이루는 하우징에 설치되는 연료 전지 시스템.
17. 제 10 항에 있어서,

    상기 접착부재가 실리콘 소재로 이루어지는 연료 전지 시스템.
18. 제 10 항에 있어서,

    상기 연료 공급원은 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함하는 연료 전지 시스템.

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