KR20060022868A

KR20060022868A - 연료 전지 시스템 및 스택

Info

Publication number: KR20060022868A
Application number: KR1020040071655A
Authority: KR
Inventors: 이상원
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2004-09-08
Publication date: 2006-03-13
Also published as: KR101155911B1; CN1770535A; CN100449844C

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

상기 전기 발생부는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 제1 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)와, 상기 제1 기체 확산층에 각각 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 포함한다.

연료전지, 스택, 세퍼레이터, 금속, 부식, MEA, 단자부, 기체확산층, GDL, 연장, 컨넥터, 절연부, 실링부재

Description

연료 전지 시스템 및 스택 {FUEL CELL SYSTEM AND STACK}

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

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 결합 사시도이다.

도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도 5는 도 2에 도시한 제1 기체 확산층의 평면 구성도이다.

도 6은 도 2에 도시한 제2 기체 확산층의 평면 구성도이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지용 스택 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 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 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.

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.

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. 따라서, PEMFC는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스 택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.

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. MEA는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조로 이루어진다. 그리고 세퍼레이터는 상기 MEA를 사이에 두고 양측에 배치되어, 연료 전지의 반응에 필요한 연료 가스와 산소 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 MEA의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.

따라서 세퍼레이터에 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 수분을 함께 얻을 수 있다.

상기 전자의 이동을 가능케 하는 종래의 연료 전지는 일본 특허공개 공보 제1994-60905호, 일본 특허공개 공보 제1996-138699호, 일본 특허공개 공보 제2000-58074호, 일본 특허공개 공보 제2000-164234호, 일본 특허공개 공보 제2001-6702호 등에 개시된 바 있다. 상기한 종래 기술들은 별도의 단자를 이용하여 각 단위의 셀을 전기적으로 연결함으로써 소정 전위차를 갖는 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.

그런데, 종래의 연료 전지에 있어 공통적으로 구비하는 세퍼레이터가 통상적인 그라파이트 또는 카본 합성물로 형성되기 때문에, 제조하기가 복잡하고, 가격이 비싸 경제적인 부담을 가중시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 제조하기가 용이하고 가격이 저렴한 금속 소재의 세퍼레이터 또는 비전도성 세퍼레이터를 사용하여 연료 전지를 구성하고, 이 연료 전지의 전기적인 연결 구조를 개선하여 연료 전지의 성능 및 수명을 연장시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다.

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,

상기 전기 발생부는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA); 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator); 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 제1 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL); 및 상기 제1 기체 확산층에 각각 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 단자부는 상기 세 퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 제2 기체 확산층을 포함하며, 이 기체 확산층의 연장 부분을 통하여 상기 전기 발생부 간의 전기적인 연결이 가능하도록 구비될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 단자부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 각각의 단자부를 실질적으로 절연시키는 제1 절연부를 포함할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되도록 구성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 세퍼레이터가 세라믹, 폴리머, 합성수지 또는 금속 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.

아울러 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,

상기 전기 발생부는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 제1 및 제2 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 구비하고,

상기 세퍼레이터에 대응하는 적어도 하나의 상기 기체 확산층이 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되고, 상기 연장 부분을 통하여 전자의 흐름이 가능하도록 구비된다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 기체 확산층의 연장 부분이 상기 전기 발생부 간의 전기적인 연결을 가능하게 하는 단자부로 구성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 제1 기체 확산층은 상기 막-전극 어셈블리에 밀착 배치되고, 상기 막-전극 어셈블리에 상응하는 크기로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 제2 기체 확산층은 상기 연장 부분을 가지면서 상기 제1 기체 확산층에 밀착 배치될 수 있다. 이 경우 상기한 제1 및 제2 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite) 또는 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대하여 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 전기적으로 연결하는 컨넥터를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 컨넥터가 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지고, 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분 사이에 위치하도록 구성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 컨넥터는 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 결합시키는 리벳을 구비할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 컨넥터는 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 결합시키는 볼트와 너트를 구비할 수도 있다. 이 경우 상기한 컨넥터는 전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 니켈 또는 철 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 상기 컨넥터와 연장 부분 사이에는 와셔를 설치하고 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 금속 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 세퍼레이터는 알루미늄, 구리, 철, 니켈 또는 코발트 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성할 수 있다. 이 경우 상기 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 상기한 통로를 형성할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 제2 기체 확산층은 상기 통로에 상응하는 개방부를 형성하고 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 하나의 세퍼레이터에 대하여 상기 연료 통로를 일면에 형성하고 다른 일면에 산소 통로를 형성할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 카본 소재 보다 상대적으로 전도성이 작은 소재로 이루어지며, 상기 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성할 수도 있다. 이 경우 상기 세퍼레이터는 세라믹, 폴리머 또는 합성수지 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 제1 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제1 실링부재를 구비한다. 이 경우 상기 제1 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 제1 기체 확산층의 가장자리 부분에 함침 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 제2 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제2 실링부재를 구비한다. 이 경우 상기 제2 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 위치에 함침 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 절연시키는 제1 절연부가 상기 연장 부분 사이에 개재되도록 구성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고, 상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되도록 구성될 수 있다.

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; 상기 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하며, 상기 전기 발생부들의 적층 구조에 의한 스택을 형성하고, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 단자부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 각각의 단자부를 실질적으로 절연시키는 제1 절연부를 포함할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되도록 구성될 수 있다. 이 경우 상기 단자부는 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 제2 기체 확산층을 포함하며, 이 기체 확산층의 연장 부분을 통한 상기 전기 발생부 간의 전기적인 연결이 가능하도록 구비될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 및 제2 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 실링부재를 구비할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 세퍼레이터가 세라믹, 폴리머, 합성수지 또는 금속 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크; 및 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함할 수 있다.

그리고 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.

또한 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.

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; 상기 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하고,

상기 전기 발생부는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 적어도 둘 이상의 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 포함하며,

상기 세퍼레이터에 대응하는 적어도 하나의 상기 기체 확산층이 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장되도록 구비된다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 발생부는, 상기 막-전극 어셈블리에 밀착 배치되고, 이 막-전극 어셈블리에 상응하는 크기로 형성되는 제1 기체 확산층; 및 상기 연장 부분을 가지면서 상기 제1 기체 확산층에 밀착 배치되는 제2 기체 확산층을 구비하고 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분이 상기 전기 발생부 간의 전기적인 연결을 가능하게 하는 단자부로 구성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 및 제2 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite) 또는 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것이 바람 직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는 금속 소재로 이루어지며, 상기 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성할 수 있다. 이 경우 상기 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 상기한 통로를 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는 세라믹, 폴리머 또는 합성수지를 포함하는 비전도성 소재로 이루어지며, 상기 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제2 기체 확산층이 상기 통로에 상응하는 개방부를 형성할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 하나의 세퍼레이터에 대하여 상기 연료 통로를 일면에 형성하고 다른 일면에 산소 통로를 형성할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는 테두리 부분을 지지하는 지지 프레임을 구비할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제1 실링부재를 구비한다. 이 경우 상기 제1 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 상기 제1 기체 확산층의 가장자리 부분에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제2 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제2 실링부재를 구비한다. 이 경우 상기 제2 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 위치에 함침 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 절연시키는 제1 절연부가 상기 연장 부분 사이에 개재되도록 구성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하며, 상기 전기 발생부들의 적층 구조에 의한 스택을 형성하고, 상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 세퍼레이터 사이에 개재되도록 구성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대하여 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 전기적으로 연결하는 컨넥터를 포함하고 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지용 스택; 상기 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

상기 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 막-전극 어셈블리에 밀착 배치되는 제1 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)과, 상기 제1 기체 확산층에 밀착 배치되는 제2 기체 확산층(GDL)을 포함하는 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조로 이루어지고,

상기 제2 기체 확산층이 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되고, 서로 이웃하는 전기 발생부에 대하여 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분이 전기적으로 직렬 연결되도록 구비된다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택은 서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대하여 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 전기적으로 연결시키는 컨넥터를 구비하고 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 컨넥터가 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지고, 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분 사이에 위치하도록 구성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 컨넥터는 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 결합시키는 리벳을 구비할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 컨넥터는 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 결합시키는 볼트와 너트를 구비할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 세퍼레이터가 금속 또는 비전도성 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되도록 구성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 및 제2 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 실링부재를 구비하고 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.

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.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 수소 연료를 의미한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의한다.

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.

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.

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 전지를 구성한다.

연료 공급원(30)은 전술한 바 있는 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 이 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 배출시키는 연료 펌프(33)와, 상기 연료 탱크(31)로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 개질기(35)를 포함한다.

그리고 산소 공급원(40)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 스택 (10)으로 공급하는 공기 펌프(41)를 포함하고 있다.

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.

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 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

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(Bipolar Plate)'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 전기 발생부(11)의 집합체인 스택(10)을 형성할 수 있다.

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 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 전해 질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 전극에서 발생되는 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.

그리고 세퍼레이터(13)는 MEA(12)를 사이에 두고 서로 밀착 배치되어, MEA(12)의 양측에 각각 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 형성한다. 여기서 수소 통로(13a)는 실질적인 연료 통로로서, MEA(12)의 애노드 전극 측에 위치하여 개질기(35: 도 1)로부터 공급되는 수소 가스를 애노드 전극으로 공급하는 역할을 한다. 그리고 공기 통로(13b)는 실질적인 산소 통로로서, MEA(12)의 캐소드 전극 측에 위치하여 공기 펌프(41: 도 1)로부터 공급되는 공기 중의 산소를 캐소드 전극으로 공급하는 기능을 하게 된다.

본 발명에 있어 상기한 세퍼레이터(13)는 도면에 도시한 바와 같이, 상기 수소 통로(13a) 및 공기 통로(13b)가 서로 평행하게 배치되면서 그 길이 방향에 수직한 단면 형상이 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어져, 하나의 세퍼레이터(13)에 대해 일면에 수소 통로(13a)를 형성하고 다른 일면에 공기 통로(13b)를 형성하고 있다.

부연 설명하면, 상기 세퍼레이터(13)는 다음에 설명하는 제2 기체 확산층(15a, 15b)에 각각 밀착 배치되어 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 형성하며, 상기한 수소 통로(13a)와 공기 통로(13a)가 그 몸체의 수직 방향(Y축 방향)을 따라 서로 교번되게 위치하고, MEA(12)를 기준으로 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)가 서로 대향되게 위치한다.

대안으로서, 상기 세퍼레이터(13)는 위에서와 같이 상기한 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 그 몸체에 대해 수평 방향(X축 방향)으로 상호 평행하게 배치하고 있으나, 이에 국한되지 않고 상기한 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 그 몸체에 대해 수직 방향(Y축 방향)으로 상호 평행하게 배치할 수도 있다.

이와 같은 세퍼레이터(13)는 도면에서 수소 가스와 공기가 수소 통로(13a) 및 공기 통로(13b)에 대하여 어떻게 공급 순환되는지에 대한 구체적인 구성을 생략하고 있으며, 이에 대한 구성은 수소 통로(13a) 및 공기 통로(13b)로 수소 가스와 공기를 공급하여 순환시키고, MEA(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 반응하고 남은 미반응 수소 가스와 공기를 배출시키는 통상적인 것이 적용될 수 있다.

본 발명에 있어 상기 세퍼레이터(13)는 그라파이트(graphite) 또는 카본 합성물(carbon composite)로 성형하여 상기 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 형성할 수 있다. 그리고 상기 세퍼레이터(13)는 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 철, 니켈 또는 코발트 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 이루어진 금속 플레이트를 프레스 성형하여 상기 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 형성할 수도 있다. 그러나 본 발명에서는 상기한 세퍼레이터(13)가 금속 소재로 이루어지는 예를 설명한다.

바람직하게, 본 실시예에 의한 상기 세퍼레이터(13)는 전체의 형상에 대응하는 한 쌍의 프레스 기구를 이용하여 금속 플레이트를 프레스 성형하는 방식으로 제작될 수 있다. 그리고 상기 세퍼레이터(13)는 금속 소재의 사출 성형 또는 다이캐스팅에 의하여 제작될 수도 있다.

대안으로서, 본 실시예에 의한 상기 세퍼레이터(13)는 통상적인 카본 소재 보다 상대적으로 전도성이 작은 소재 또는 비전도성 소재 예컨대, 세라믹, 폴리머, 합성수지, 고무 소재 등의 사출 또는 압출 성형에 의하여 제작될 수도 있다.

도면에서 미설명된 참조 부호 17은 세퍼레이터(13)의 테두리 부분에 설치되어 이 세퍼레이터(13)의 강성을 부여하기 위한 지지 프레임을 나타내고 있다. 여기서 상기 지지 프레임(17)은 세퍼레이터(13)가 금속 소재로 이루어지는 경우, 상기 세퍼레이터(13)와 동일한 소재로 형성되고, 바아 형태로 구비되어 세퍼레이터(13)의 가장자리단에 각각 용접 설치되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 지지 프레임(17)은 세퍼레이터(13)가 비전도성 소재로 이루어지는 경우, 상기 세퍼레이터(13)와 동일한 소재로 형성되고, 바아 형태로 구비되어 세퍼레이터(13)의 가장자리단에 각각 접착 설치되는 것이 바람직하다.

그리고 각각의 세퍼레이터(13)와 MEA(12) 사이에는 MEA(12)의 양쪽 전극으로 수소 가스와 공기를 확산시켜 주고, 애노드 전극에서 생성되는 전자를 뒤에서 더욱 설명하는 별도의 단자를 통해 이웃하는 MEA(12)의 캐소드 전극으로 원활히 이동시키기 위한 제1 기체 확산층(Gas Diffusion Layer)(14a, 14b)을 구비하고 있다. 이러한 제1 기체 확산층(14a, 14b)은 MEA(12)의 양면에 각각 밀착 배치되며, 상기 MEA(12)에 상응하는 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 제1 기체 확산층(14a, 14b)은 통상적으로 카본 합성물(composite), 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth)로 형성될 수 있다.

도 5는 도 2에 도시한 제1 기체 확산층의 평면 구성도로서, 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 가장자리 부분에는 수소 가스와 공기가 MEA(12)의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제1 실링부재(18)를 형성하고 있다.

부연 설명하면, 상기 제1 실링부재(18)는 세퍼레이터(13: 도 4)의 수소 통로(13a: 도 4)를 통해 공급되는 수소 가스와 세퍼레이터(13)의 공기 통로(13b: 도 4)를 통해 공급되는 공기가 제1 기체 확산층(14a, 14b)을 통해 확산되는 경우, 이 수소 가스와 공기가 MEA(12: 도 4)의 외측으로 확산되면서 전기 발생부(11)의 외부로 새어 나가는 것을 저지하는 기능을 하게 된다. 이러한 제1 실링부재(18)는 MEA(12)의 가장자리단에 상응하는 위치 즉, 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 가장자리 부분에 형성되고, 테프론, 폴리이미드 등과 같은 폴리머 소재 또는 고무 소재로 이루어지며, 상기한 소재가 제1 기체 확산층(14a, 14b)에 함침 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시 세퍼레이터(13)를 통해 MEA(12)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되는 반면, 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, 상기 캐소드 전극에서는 상기 이동된 수소 이온 및 전자와 상기한 산소와의 결합 반응을 통해 열과 수분을 발생시킨다.

이러는 과정을 거치는 동안, 본 발명에 의한 스택(10)은 세퍼레이터(13)가 금속 소재로 이루어져 있기 때문에, 상기 세퍼레이터(13)는 본 시스템(100)을 가동 시키자 마자 상기한 수분, 열 및 산소에 의해 산화 부식되게 된다. 따라서 상기한 세퍼레이터(13)의 부식은 세퍼레이터(13) 자체에 전자의 흐름을 방해하는 저항을 증대시킴으로써 세퍼레이터(13)의 전도체 기능을 상실케 하고 전체적인 스택(10)의 성능을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다.

이에 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)에 있어 스택(10)을 구성하는 전기 발생부(11)는 상기 제1 기체 확산층(14a, 14b)에 각각 밀착 배치되어 MEA(12)에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부(20)를 포함하고 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 단자부(20)는 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 상기 제1 기체 확산층(14a, 14b)을 통한 전기적인 연결을 가능케 하는 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 구비하고 있다.

보다 구체적으로, 상기한 제2 기체 확산층(15a, 15b)은 세퍼레이터(13)와 제1 기체 확산층(14a, 14b) 사이에 배치되어 각각의 제1 기체 확산층(14a, 14b)에 부착되도록 구성된다.

상기 제2 기체 확산층(15a, 15b)은 그 가장자리 부분이 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 가장자리단 외측으로 연장되면서 세퍼레이터(13)의 가장자리단 외측으로 확장되는 구조로 이루어진다. 이 때 도면에 "A" 로 표시한 상기 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분은 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 가장자리단을 기준으로 최소한 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 어느 한 쪽 가장자리단 외측으로 연장되면서 세퍼레이터(13)의 가장자리단 외측으로 확장 형성된다.

그러나 본 명세서의 도면에서는 상기한 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)이 세퍼레이터(13)의 전체 가장자리단 외측으로 연장 형성되는 예를 도시하고 있다.

이러한 제2 기체 확산층(15a, 15b)은 제1 기체 확산층(14a, 14b)과 같은 카본 합성물(composite), 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth)로 형성될 수 있다. 이 때 상기한 제2 기체 확산층(15a, 15b)은 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a) 및 공기 통로(13b)에 상응하는 개방부(16)를 형성하고 있다. 이는 상기 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a) 및 공기 통로(13b)를 통해 공급되는 수소 가스와 공기를 MEA(12)와 밀착하고 있는 제1 기체 확산층(14a, 14b)으로 용이하게 흘려 보내기 위한 것이다.

도 6은 도 2에 도시한 제2 기체 확산층의 평면 구성도로서, 제2 기체 확산층(15a, 15b)은 제1 기체 확산층(14a, 14b: 도 4)의 가장자리단에 대응하는 부분에 제2 실링부재(19)를 형성하고 있다. 상기 제2 실링부재(19)는 세퍼레이터(13: 도 4)의 수소 통로(13a: 도 4)를 통해 공급되는 수소 가스와 세퍼레이터(13)의 공기 통로(13b: 도 4)를 통해 공급되는 공기가 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 통해 확산되는 경우, 이 수소 가스와 공기가 연장 부분(A)으로 확산되면서 전기 발생부(11: 도 4)의 외부로 새어 나가는 것을 저지하는 기능을 하게 된다. 그리고 상기 제2 실링부재(19)는 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 전체 영역에 대해 제1 기체 확산층(14a, 14b)에 상응하는 부분과 전술한 바 있는 연장 부분(A)을 구획하는 기능도 하게 된다. 이러한 제2 실링부재(19)는 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 가장자리단에 상응하는 위치에 형성되고, 제1 실링부재(18: 도 4)와 같이 테프론, 폴리이미드 등 의 폴리머 소재 또는 고무 소재로 이루어지며, 상기한 소재가 제2 기체 확산층(15a, 15b)에 함침 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 전기 발생부(11)의 적층 구조에 의한 본 발명에 따른 스택(10)은 각각의 전기 발생부(11)에 대하여 상기한 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 실질적으로 절연시키는 제1 절연부(21)를 구비하고 있다.

바람직하게, 상기 제1 절연부(21)는 각각의 전기 발생부(11)에 대해 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A) 사이에 형성될 수 있다. 이는 하나의 전기 발생부(11)에 대하여 MEA(12)의 애노드 전극 측에 위치하는 제2 기체 확산층(15a)과 캐소드 전극 측에 위치하는 제2 기체 확산층(15a)이 다음에 설명하는 컨넥터(23)에 의한 전자의 흐름으로 인해 전위차를 갖는 (+), (-)의 단자 역할을 하기 때문에, 이러한 단자의 쇼트를 방지하기 위함이다.

위와 같은 상기 제1 절연부(21)는 절연 테잎 또는 절연 시트 형태로 이루어지며, 페놀수지, 폴리우레탄, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드, 아크릴, 우레아/메라민 수지, 실리콘 수지와 같은 통상의 합성 고분자 화합물을 포함할 수 있으며, 절연 니스와 같은 니스 계열의 절연물을 포함할 수도 있다.

그리고 본 발명에 의한 스택(10)은 각각의 전기 발생부(11)에 대하여 서로 이웃하는 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)와 다른 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)를 전기적으로 연결하는 컨넥터(23)를 포함하고 있다.

이와 같은 컨넥터(23)는 전체 스택(10)에 대하여 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에서 발생되는 전기를 직렬로 연결시켜 주기 위한 것이다. 즉, 상기 컨넥터 (23)는 복수의 전기 발생부(11) 중 어느 일측 전기 발생부(11)의 제2 기체 확산층(15a, 15b)과 다른 일측 전기 발생부(11)의 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 전기적으로 연결시키는 전도체의 기능을 하게 된다.

이를 위한 상기 컨넥터(23)는 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 형성될 수 있으며, 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A) 사이 즉, 각각의 전기 발생부(11) 사이에 설치될 수 있다. 그러나 도 2에서는 상기 컨넥터(23)를 편의상 오른쪽 외곽 부분에 위치하는 전기 발생부(11) 사이에만 도시하고 있다.

보다 구체적으로, 상기 컨넥터(23)는 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 어느 하나의 전기 발생부(11)의 애노드 전극측 제2 기체 확산층(15a)과 다른 하나의 전기 발생부(11)의 캐소드 전극측 제2 기체 확산층(15b)의 연장 부분(A) 사이에 설치되고, 상기 일측 전기 발생부(11)의 캐소드 전극측 제2 기체 확산층(15b)과 상기 다른 일측 전기 발생부(11)의 애노드 전극측 제2 기체 확산층(15a)의 연장 부분(A) 사이에 설치되어 상기한 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 전기적으로 연결할 수 있다.

그리고 본 실시예에 의한 스택(10)의 최외곽에는 이 스택(10)에서 발생하는 전기를 집전하는 집전 플레이트(26)를 배치하고 있다. 집전 플레이트(26)는 도면에 도시한 바와 같이, 별도의 절연막(27)에 의하여 상기 최외곽의 세퍼레이터(13)와 절연된 상태로 배치될 수 있다. 그리고 스택(10)의 최외곽에 위치하는 단자부(20) 즉, 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)과 집전 플레이트(26) 사이에는 전 술한 바 있는 컨넥터(23)를 설치하고 있다. 이러한 집전 플레이트(26)는 상기 최외곽의 세퍼레이터(13)에 밀착 배치되면서 복수의 전기 발생부(11)를 가압 밀착시키는 구조로 이루어진다. 이에 상기 집전 플레이트(26)는 별도의 체결부재(도시하지 않음) 예컨대, 볼트와 너트 또는 리벳 등에 의해 체결됨으로써, 상기 복수의 전기 발생부(11)를 가압 밀착시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 연료 펌프(33)를 가동시켜 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 개질기(35)로 공급한다. 그러면 개질기(35)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

이어서, 연료 펌프(33)의 펌핑력을 이용하여 상기 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(41)를 가동시켜 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급한다.

따라서 상기 수소 가스는 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a)를 통해 제1 기체 확산층(14a)으로 공급되며, 이 제1 기체 확산층(14a)을 통해 MEA(12)의 애노드 전극으로 확산되게 된다. 그리고 상기 공기는 세퍼레이터(13)의 공기 통로(13b)를 통해 제1 기체 확산층(14b)으로 공급되며, 이 제1 기체 확산층(14b)을 통해 MEA(12)의 캐소드 전극으로 확산되게 된다.

이로써 상기 MEA(12)의 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소 가스를 전 자와 수소 이온(프로톤)으로 분해한다. 여기서 상기 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 제1 기체 확산층(14a, 14b) 및 이와 밀착 배치되고 있는 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 통하여 이웃하는 MEA(12)의 캐소드 전극으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 그리고 MEA(12)의 캐소드 전극에서는 상기 이동된 수소 이온 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 소정 온도의 열과 수분을 발생시킨다.

이와 같은 작용을 더욱 구체적으로 설명하면, 각각의 전기 발생부(11)에 대해 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)이 절연된 상태를 유지하고, 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)이 컨넥터(23)에 의하여 직렬로 연결되어 있기 때문에, 상기 컨넥터(23)를 통해 전술한 바 있는 전자가 일측 전기 발생부(11)의 애노드 전극측 제2 기체 확산층(15a)에서 다른 일측 전기 발생부(11)의 캐소드 전극측 제2 기체 확산층(15b)으로 이동하게 된다.

이러는 과정을 거치면서 각각의 전기 발생부(11)는 상기한 전자의 이동으로 인해 전류를 발생시키게 되고, 스택(10)의 최외곽에 위치하는 집전 플레이트(26)를 통해 소정 전위차를 갖는 전기 에너지를 로드 예컨대, 노트북 PC, PDA와 같은 휴대용 전자기기로 인가할 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)은 전기 발생부(11)를 구성하는 금속 소재의 세퍼레이터(13)가 열, 수분 및 산소에 의해 산화 부식되어 전자의 흐름을 방해하는 전기 저항이 증대되더라도 상술한 바와 같이 제2 기체 확산층 (15a, 15b)을 통해 전자의 흐름을 가능하게 할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다. 도 4에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재로서 이하에서 자세한 설명은 생략한다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 스택(10)은, 전기 제1 실시예의 구조를 기본으로 하면서 단일의 전기 발생부(11)에 대하여 일측 세퍼레이터(43)의 일면에 수소 통로(43a)를 형성하고 이에 대향 밀착되는 타측 세퍼레이터(43)의 일면에 공기 통로(43b)를 형성하고 있는 구조로 이루어진다.

구체적으로, 상기 세퍼레이터(43)는 하나의 전기 발생부(11)에 대하여 일측 제2 기체 확산층(15a)에 밀착되는 일면에 수소 통로(43a)를 형성하고, 타측 제2 기체 확산층(15b)에 밀착되는 일면에 공기 통로(43b)를 형성하고 있다. 이 때 상기 세퍼레이터(43)는 수소 통로(43a) 및 공기 통로(43b)가 그 세퍼레이터(43) 몸체에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고 그 양단이 교호적으로 연결되도록 형성되고 있다. 이에 따라 상기 세퍼레이터(43)의 다른 일면은 이웃하는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(43)의 다른 일면과 서로 밀착되게 된다.

그리고 상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 스택(10)은 서로 이웃하는 각각의 전기 발생부(11)를 실질적으로 절연시키기 위한 제2 절연부(25)를 구비하고 있다. 이 제2 절연부(25)는 서로 이웃하는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(43) 사이에 개재되며, 절연 테잎 또는 절연 시트 형태로 이루어진다.

상기한 제2 절연부(25)는, 세퍼레이터(43)가 금속 소재로 형성되고 전기 발 생부(11)의 전기 발생시 수분, 열 및 산소에 의해 산화 부식되어 전기 저항이 증대되기 때문에, 각각의 전기 발생부(11)에서 발생하는 일부의 전류가 제2 기체 확산층(15a, 15b)으로 통하지 않고 세퍼레이터(43)를 통해 이웃하는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(43)로 통하는 것을 차단하여 스택(10)의 전기적인 출력 성능을 향상시키기 위한 것이다. 이 때 상기 제2 절연부(25)는 페놀수지, 폴리우레탄, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드, 아크릴, 우레아/메라민 수지, 실리콘 수지와 같은 통상의 합성 고분자 화합물을 포함할 수 있으며, 절연 니스와 같은 니스 계열의 절연물을 포함할 수도 있다.

본 실시예에 의한 나머지 구성은 전기 제1 실시예의 구성과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다. 도 4에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재로서 이하에서 자세한 설명은 생략한다.

도면을 참고하면, 이 경우는 전기 제1 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 서로 이웃하는 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)와 다른 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)를 전기적으로 연결하는 컨넥터(73)를 리벳(74)으로 구성할 수 있다.

이를 위해 본 실시예에 의한 스택(10)은 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)을 서로 겹쳐지도록 구성한다. 그리고 상기한 리벳(74)은 서로 겹쳐진 상기 연장 부분(A)에 리벳 결합되어 이 연장 부분(A)을 전기적으로 연결시킨다. 이에 더하여 상기 컨넥터(73)는 상기 리벳 (74)과 연장 부분(A)의 결합력을 상보적으로 증진시키기 위해, 상기 리벳(74)과 연장 부분(A) 사이에 와셔(75)를 설치할 수도 있다. 여기서 전술한 상기 리벳(74)과 와셔(75)는 전도성을 갖는 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 니켈, 철 등에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성될 수 있다.

한편, 스택(10)의 최외곽에 위치하는 단자부(20) 즉, 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)은 위에서와 같은 컨넥터(73)를 통해 상기 집전 플레이트(26)에 고정 설치될 수 있다.

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다. 도 4에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재로서 이하에서 자세한 설명은 생략한다.

도면을 참고하면, 이 경우는 전기 제1 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)와 다른 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)를 전기적으로 연결하는 컨넥터(83)를 볼트(84)와 너트(85)로 구성할 수 있다.

이를 위해 본 실시예에 의한 스택(10)은 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)을 서로 겹쳐지도록 구성한다. 그리고 상기한 볼트(84)와 너트(85)는 서로 겹쳐진 상기 연장 부분(A)에 결합되어 이 연장 부분(A)을 전기적으로 연결시킨다. 이에 더하여 상기 컨넥터(73)는 상기 볼트(84)와 너트(85) 및 상기 연장 부분(A)의 결합력을 상보적으로 증진시키기 위 해, 상기 볼트(84)와 너트(85) 및 상기 연장 부분(A) 사이에 와셔(75)를 설치할 수도 있다. 여기서 전술한 상기 볼트(84)와 너트(85) 및 상기 와셔(75)는 전도성을 갖는 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 니켈, 철 등에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성될 수 있다.

한편, 스택(10)의 최외곽에 위치하는 단자부(20) 즉, 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)은 위에서와 같은 컨넥터(83)를 통해 상기 집전 플레이트(26)에 고정 설치될 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.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 기체 확산층을 통하여 전기 발생부 간의 전기적인 연결이 가능한 스택을 구비하므로, 금속 소재로 이루어지는 세퍼레이터를 사용할 수 있기 때문에 전체적인 스택의 부피를 저감시키고, 프레스 성형이 가능한 금속 소재의 고유한 특성으로 인해 스택의 제조 단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 금속으로 이루어지는 세퍼 레이터가 스택의 전기 발생시 열, 수분 및 산소에 의해 부식되더라도 기체 확산층을 통해 전자의 흐름이 가능하므로, 전체적인 스택의 성능이 저하되거나 수명이 단축되는 등의 염려가 없다.

Claims

수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부

를 포함하며,

상기 전기 발생부는,

막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA);

상기 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator);

상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 제1 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL); 및

상기 제1 기체 확산층에 각각 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 포함하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 단자부는 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 제2 기체 확산층을 포함하며, 이 기체 확산층의 연장 부분을 통하여 상기 전기 발생부 간의 전기적인 연결이 가능하도록 구비되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 전기 발생부를 복수로 구비하고, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 단 자부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 각각의 단자부를 실질적으로 절연시키는 제1 절연부를 포함하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 세라믹, 폴리머, 합성수지 또는 금속 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며,

상기 전기 발생부는,

막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 제1 및 제2 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 구비하고,

상기 세퍼레이터에 대응하는 적어도 하나의 상기 기체 확산층이 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되고, 상기 연장 부분을 통하여 전자의 흐름이 가능하도록 구비되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 7 항에 있어서,

상기 기체 확산층의 연장 부분이 상기 전기 발생부 간의 전기적인 연결을 가능하게 하는 단자부로 구성되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 7 항에 있어서,

상기 제1 기체 확산층은 상기 막-전극 어셈블리에 밀착 배치되고, 상기 막-전극 어셈블리에 상응하는 크기로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 9 항에 있어서,

상기 제2 기체 확산층은 상기 연장 부분을 가지면서 상기 제1 기체 확산층에 밀착 배치되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 10 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite) 또는 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 연료 전지 시스템용 스택.
제 7 항에 있어서,

상기 전기 발생부를 복수로 구비하고, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대하여 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 전기적으로 연결하는 컨넥터를 포함하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 12 항에 있어서,

상기 컨넥터가 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지고, 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분 사이에 위치하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 12 항에 있어서,

상기 컨넥터는 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 결합시키는 리벳을 구비하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 12 항에 있어서,

상기 컨넥터는 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 결합시키는 볼트와 너트를 구비하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,

상기 컨넥터가 전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 니켈 또는 철 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 16 항에 있어서,

상기 컨넥터와 연장 부분 사이에 와셔를 설치하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 7 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 금속 소재로 이루어지는 연료 전지 시스템용 스택.
제 18 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 알루미늄, 구리, 철, 니켈 또는 코발트 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 18 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 상기 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 20 항에 있어서,

상기 제2 기체 확산층이 상기 통로에 상응하는 개방부를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 20 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 상기한 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 20 항에 있어서,

하나의 세퍼레이터에 대하여 상기 연료 통로를 일면에 형성하고 다른 일면에 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 7 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 카본 소재 보다 상대적으로 전도성이 작은 소재로 이루어지며, 상기 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 24 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 세라믹, 폴리머 또는 또는 합성수지 소재 중에서 선택되 는 어느 하나의 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 7 항에 있어서,

상기 제1 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제1 실링부재를 구비하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 26 항에 있어서,

상기 제1 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 제1 기체 확산층의 가장자리 부분에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 7 항에 있어서,

상기 제2 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제2 실링부재를 구비하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 28 항에 있어서,

상기 제2 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 위치에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 7 항에 있어서,

상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 절연시키는 제1 절연부가 상기 연장 부분 사이에 개재되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 7 항에 있어서,

상기 전기 발생부를 복수로 구비하고, 상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되는 연료 전지 시스템용 스택.
수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;

상기 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및

상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원

을 포함하며,

상기 전기 발생부는,

막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 제1 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)과, 상기 제1 기체 확산층에 각각 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 32 항에 있어서,

상기 전기 발생부를 복수로 구비하며, 상기 전기 발생부들의 적층 구조에 의한 스택을 형성하고,

서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 단자부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 32 항에 있어서,

상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 각각의 단자부를 실질적으로 절연시키는 제1 절연부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 32 항에 있어서,

상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되는 연료 전지 시스템.
제 32 항 내지 제 35 항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

상기 단자부는 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 제2 기체 확산층을 포함하며, 이 기체 확산층의 연장 부분을 통한 상기 전기 발생부 간의 전기적인 연결이 가능하도록 구비되는 연료 전지 시스템.
제 36 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 실링부재를 구비하는 연료 전지 시스템.
제 32 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 세라믹, 폴리머, 합성수지 또는 금속 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 형성되는 연료 전지 시스템.
제 32 항에 있어서,

상기 연료 공급원은,

상기 연료를 저장하는 연료 탱크; 및

상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 39 항에 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 포함하는 연료 전지 시스템.
제 32 항에 있어서,

상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;

상기 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및

상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하고,

상기 전기 발생부는,

막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 적어도 둘 이상의 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 포함하며,

상기 세퍼레이터에 대응하는 적어도 하나의 상기 기체 확산층이 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장되도록 구비되는 연료 전지 시스템.
제 42 항에 있어서,

상기 전기 발생부는,

상기 막-전극 어셈블리에 밀착 배치되고, 이 막-전극 어셈블리에 상응하는 크기로 형성되는 제1 기체 확산층; 및

상기 연장 부분을 가지면서 상기 제1 기체 확산층에 밀착 배치되는 제2 기체 확산층을 구비하는 연료 전지 시스템.
제 43 항에 있어서,

상기 제2 기체 확산층의 연장 부분이 상기 전기 발생부 간의 전기적인 연결을 가능하게 하는 단자부로 구성되는 연료 전지 시스템.
제 43 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite) 또는 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 연료 전지 시스템.
제 42 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 금속 소재로 이루어지며, 상기 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템.
제 46 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 상기한 통로를 형성하는 연료 전지 시스템.
제 42 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 세라믹, 폴리머 또는 합성수지를 포함하는 비전도성 소재로 이루어지며, 상기 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템.
제 46 항 또는 제 48 항에 있어서,

상기 제2 기체 확산층이 상기 통로에 상응하는 개방부를 형성하는 연료 전지 시스템.
제 49 항에 있어서,

상기 하나의 세퍼레이터에 대하여 상기 연료 통로를 일면에 형성하고 다른 일면에 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템.
제 42 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 테두리 부분을 지지하는 지지 프레임을 구비하는 연료 전지 시스템.
제 43 항에 있어서,

상기 제1 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제1 실링부재를 구비하는 연료 전지 시스템.
제 52 항에 있어서,

상기 제1 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 상기 제1 기체 확산층의 가장자리 부분에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성되는 연료 전지 시스템.
제 43 항에 있어서,

상기 제2 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제2 실링부재를 구비하는 연료 전지 시스템.
제 54 항에 있어서,

상기 제2 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 위치에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성되는 연료 전지 시스템.
제 43 항에 있어서,

상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 절연시키는 제1 절연부가 상기 연장 부분 사이에 개재되는 연료 전지 시스템.
제 56 항에 있어서,

상기 전기 발생부를 복수로 구비하며, 상기 전기 발생부들의 적층 구조에 의한 스택을 형성하고,

상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 세퍼레이터 사이에 개재되는 연료 전지 시스템.
제 57 항에 있어서,

서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대하여 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 전기적으로 연결하는 컨넥터를 포함하는 연료 전지 시스템.
수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지용 스택;

상기 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및

상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

상기 스택은,

막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 막-전극 어셈블리에 밀착 배치되는 제1 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)과, 상기 제1 기체 확산층에 밀착 배치되는 제2 기체 확산층(GDL)을 포함하는 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조로 이루어지고,

상기 제2 기체 확산층이 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되고, 서로 이웃하는 전기 발생부에 대하여 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분이 전기적으로 직렬 연결되도록 구비되는 연료 전지 시스템.
제 59 항에 있어서,

상기 스택은 서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대하여 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 전기적으로 연결시키는 컨넥터를 구비하는 연료 전지 시스템.
제 60 항에 있어서,

상기 컨넥터가 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지고, 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분 사이에 위치하는 연료 전지 시스템.
제 60 항에 있어서,

상기 컨넥터는 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 결합시키는 리벳을 구비하는 연료 전지 시스템.
제 60 항에 있어서,

상기 컨넥터는 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 결합시키는 볼트와 너트를 구비하는 연료 전지 시스템.
제 59 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 금속 또는 비전도성 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 형성되는 연료 전지 시스템.
제 59 항에 있어서,

상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 제2 기체 확산층의 연장 부분을 실질적으로 절연시키는 제1 절연부가 상기 연장 부분 사이에 개재되는 연료 전지 시스템.
제 59 항에 있어서,

상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되는 연료 전지 시스템.
제 59 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 기체 확산층은 상기 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 실링부재를 구비하는 연료 전지 시스템.