KR20060037749A - 연료 전지 시스템, 이에 사용되는 스택 및 세퍼레이터 - Google Patents

연료 전지 시스템, 이에 사용되는 스택 및 세퍼레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어지고, 상기 세퍼레이터는, 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착되는 밀착부분과 그 양면에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 메인 통로와, 상기 메인 통로와 실질적으로 연통하는 보조 통로를 구비하고, 상기 막-전극 합성체의 양면에 상응하는 제1 영역에 상기 메인 통로를 형성하고, 상기 막-전극 합성체의 가장자리 외측에 상응하는 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성한다.
스택, 연료전지, 세퍼레이터, 수소통로, 공기통로, MEA, 보조통로

Description

연료 전지 시스템, 이에 사용되는 스택 및 세퍼레이터 {FUEL CELL SYSTEM, STACK AND SEPARATOR USED THERETO}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 선회하여 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터가 조립된 상태의 부분 단면 구성도이다.
도 4는 도 2에 도시한 세퍼레이터의 평면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 대한 세퍼레이터의 변형예를 도시한 평면 구성도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택 및 세퍼레이터에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같 은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질 등이 서로 다르다.
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 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
상기와 같은 연료 전지에 있어서, 실질적으로 전기를 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly)와 당업계에서 바이폴라 플레이트로 칭하는 세퍼레이터(Separator)로 이루어지는 단위의 셀을 수 개 내지 수십 개로 적층한 구조로 이루어진다. 상기 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 공기를 막-전극 어셈블리로 공급하는 수소통로와 및 공기통로를 형성하고 있다.
그런데 종래의 연료 전지는 대체적으로 수소통로와 공기통로의 주입부 측에서 수소 가스와 공기의 산화/환원 반응이 집중적으로 일어나게 되고, 특히 공기통로의 주입부 측에서 배출부측 보다 많은 수분이 발생하게 된다. 따라서 상기한 주입부 측과 배출부 측에서의 불균일한 반응에 의하여 막-전극 어셈블리가 변형될 염려가 있고, 상기 공기통로의 주입부 측에서 집중적으로 발생하는 수분이 배출부 측으로 원활하게 배출되지 않게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 창안된 것으로, 그 목적은 막-전극 어셈블리의 활성 영역에 대한 수소 가스와 공기의 균일한 반응을 유도하고, 공기통로의 주입부 측에서 집중적으로 발생하는 수분을 원활하게 배출시키는 연료 전지 시스템, 이에 사용되는 스택 및 세퍼레이터를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며,
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어지고,
상기 세퍼레이터는,
상기 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착되는 밀착부분과 그 양면에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 메인 통로와, 상기 메인 통로와 실질적으로 연통하는 보조 통로를 구비하고,
상기 막-전극 합성체의 양면에 상응하는 제1 영역에 상기 메인 통로를 형성하고, 상기 막-전극 합성체의 가장자리 외측에 상응하는 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 메인 통로는 상기 막-전극 어셈블리의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로를 형성하고 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 발생부는 상기 막-전극 어셈블리와 양 세퍼레이터 사이의 가장자리 부분에 개재되는 가스켓을 구비하고, 상기 가스켓에 상응하는 상기 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 메인 통로는 세퍼레이터 몸체에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되며, 상기 보조 통로는 상기 양단을 연결하는 적어도 둘 이상의 연결 부분과 연통하면서 서로 연결되는 패스를 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 보조 통로는 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극에 위치하는 메인 통로와 연통하도록 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되어 스택을 형성하고, 상기 스택과 연료 공급부 사이에, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 스택에 연결 설치될 수 있다. 이러한 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어진다.
대안으로서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어질 수도 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어진 적어도 하나의 전기 발생부를 구비하고,
상기 세퍼레이터는,
상기 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착되는 밀착부분과 그 양면에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 메인 통로와, 상기 메인 통로와 실질적으로 연통하는 보조 통로를 구비하며,
상기 막-전극 합성체의 양면에 상응하는 제1 영역에 상기 메인 통로를 형성 하고, 상기 막-전극 합성체의 가장자리 외측에 상응하는 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 메인 통로는 막-전극 어셈블리의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로를 형성하고 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 전기 발생부는 상기 막-전극 어셈블리와 양 세퍼레이터 사이의 가장자리 부분에 개재되는 가스켓을 구비하고, 상기 가스켓에 상응하는 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 메인 통로는 세퍼레이터 몸체에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되며, 상기 보조 통로는 상기 양단을 연결하는 적어도 둘 이상의 연결 부분과 연통하면서 서로 연결되는 패스를 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 보조 통로는 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극에 위치하는 메인 통로와 연통하도록 형성되는 것이 바람직하다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 세퍼레이터는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되어 연료 전지용 스택의 전기 발생부를 구성하는 것으로서,
몸체와, 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 몸체의 일면에 각각 배치되는 메인 통로와, 상기 메인 통로와 실질적으로 연통하는 보조 통로를 포함하며,
상기 막-전극 합성체의 양면에 상응하는 제1 영역에 상기 메인 통로를 형성하고, 상기 막-전극 합성체의 가장자리 외측에 상응하는 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 세퍼레이터에 있어서, 상기 메인 통로는 상기 막-전극 어셈블리의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로를 형성하고 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 세퍼레이터에 있어서, 상기 전기 발생부는 상기 막-전극 어셈블리와 양 세퍼레이터 사이의 가장자리 부분에 개재되는 가스켓을 구비하고, 상기 가스켓에 상응하는 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 세퍼레이터에 있어서, 상기 메인 통로는 세퍼레이터 몸체에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되며, 상기 보조 통로는 상기 양단을 연결하는 적어도 둘 이상의 연결 부분과 연통하면서 서로 연결되는 패스를 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 세퍼레이터에 있어서, 상기 보조 통로는 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극에 위치하는 메인 통로와 연통하도록 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 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 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스와 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 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같이 수소를 함유한 기체 또는 액상의 연료를 의미한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의한다.
그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 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 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기(3)와, 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(7)과, 상기한 연료를 개질기(3)로 공급하는 연료 공급부(1)와, 공기를 스택(7)으로 공급하는 공기 공급부(5)를 포함하여 구성된다.
대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기 연료를 직접 전기 발생부(19)로 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 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 도 1에 도시한 개질기(3)를 필요로 하지 않는다. 그러나, 이하에서는 편의상 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명할 뿐, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바 있는 개질기(3)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기의 구조를 갖는다. 부연 설명하면, 상기 개질기(3)는 일 례로서, 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 개질기(3)는 일 례로서, 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
연료 공급부(1)는 개질기(3)와 연결 설치되는 것으로서, 연료를 저장하는 연료 탱크(9)와, 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)로부터 액상의 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
공기 공급부(5)는 스택(7)과 연결 설치되며, 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입 하여 스택(7) 내부로 공급할 수 있는 적어도 하나의 공기 펌프(13)를 구비한다.
상기 연료 공급부(1) 및 개질기(3)를 통해 수소 가스를 공급받고, 공기 공급부(5)로부터 공기를 공급받는 스택(7)은 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키고 부산물로써 열과 물을 발생시키도록 구성되어 있다.
본 발명에 적용되는 스택(7)은 개질기(3)를 통해 개질된 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 발생부(19)들로 이루어져 있다. 이 전기 발생부(19)들 각각은 전기를 발생시키는 최소 단위이며, 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly)(이하, "MEA" 라고 한다.)(21)와 이 MEA(21)의 양측에 수소와 산소를 함유한 공기를 공급하기 위한 세퍼레이터(Separator)(23, 25)로 구성된다. 즉, 상기 전기 발생부(19)는 MEA(21)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(23, 25)를 배치하여 단일 스택을 형성하며, 상기 전기 발생부(19)가 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(7)을 형성한다.
도 2는 도 1에 도시한 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 선회하여 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시한 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터가 조립된 상태의 부분 단면 구성도이고, 도 4는 도 2에 도시한 세퍼레이터의 평면 구성도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예에 의한 세퍼레이터(23, 25)는 MEA(21)를 사이에 두고 밀착 배치되어 MEA(21)의 양측에 메인 통로(18) 즉, 수소통로(15)와 공기통로(17)를 형성한다. 상기 수소통로(15)는 MEA(21)의 일면에 위치하 여 개질기(3)로부터 공급되는 수소 가스를 MEA(21)의 일면으로 공급하는 기능을 하게 된다. 상기 공기통로(17)는 MEA(21)의 다른 일면에 위치하여 공기펌프(13)로부터 공급되는 공기를 MEA(21)의 다른 일면으로 공급하는 기능을 하게 된다.
구체적으로, 상기 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 세퍼레이터(23, 25)의 몸체(23a, 25a)의 일면에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성된 리브(23b, 25b)와, 상기 리브(23b, 25b)들 사이의 공간인 채널(23c, 25c)에 의하여 형성될 수 있다. 여기서 상기 리브(23b, 25b)는 MEA(21)의 양측면에 밀착되는 밀착부분을 의미하고, 상기 채널(23c, 25c)은 MEA(21)의 양측면에 이격되는 이격부분을 의미한다. 그리고 상기 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 각기 세퍼레이터(23, 25)의 몸체(23a, 25a)에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고, 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되고 있다.
한편, 상기 세퍼레이터(23, 25) 사이에 개재되는 MEA(21)는 소정의 면적을 가지고 산화/환원 반응이 일어나는 활성 영역(21a)을 구비하며, 이 활성 영역(21a)의 일면에 애노드 전극, 다른 일면에 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 그리고 상기 활성 영역(21a)의 가장자리 부분에는 가스켓(21b)이 연결 형성되는 바, 이 가스켓(21b)은 양 세퍼레이터(23, 25) 사이에서 활성 영역(21a)의 가장자리 부분을 실링하는 기능을 하게 된다.
본 발명에 있어 상기 수소통로(15) 및 공기통로(17)의 상기 양단을 교호적으로 연결하고 있는 부분을 이하에서는 연결 부분(C)이라고 정의한다. 그리고 이하에서는 상기 세퍼레이터(23, 25)의 수소통로(15)와 공기통로(17)를 형성하면서 MEA(21)의 활성 영역(21a)에 상응하는 부분을 제1 영역(A)이라고 정의하고, 가스켓(21b)에 밀착되는 제1 영역(B)의 나머지 부분을 제2 영역(B)이라고 정의한다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 세퍼레이터(23, 25)의 수소통로(15)와 공기통로(17)를 통과하는 수소 가스와 공기는 대체적으로 수소통로(15)와 공기통로(17)의 주입부(14a, 14b) 측에서 MEA(21)에 의한 산화/환원 반응이 집중적으로 일어나게 된다. 특히 공기통로(17)의 주입부(14b) 측에서는 상기와 같은 공기의 집중적인 환원 반응에 의하여 배출부(16b) 측 보다 수분이 많이 발생하게 된다.
이에 본 발명의 실시예에 의한 세퍼레이터(23, 25)는 수소통로(15) 및 공기통로(17)의 주입부(14a, 14b) 측을 흐르는 수소 가스와 공기를 배출부(16a, 16b) 측으로 분산시키는 보조 통로(41a, 41b)를 포함하고 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 보조 통로(41a, 41b)는 세퍼레이터(23, 25)의 제2 영역(B)에 형성되어 메인 통로(18) 즉, 수소통로(15) 및 공기통로(17)의 연결 부분(C)과 연통하는 패스를 갖는다. 상기 보조 통로(41a, 41b)는 상기 연결 부분(C)으로부터 제2 영역(B)으로 분기되어 서로 연결되는 형태로 이루어진다. 이러한 보조 통로(41a, 41b)는 제2 영역(B)의 표면에 채널 형태로 형성되며, 상기 제2 영역(B)이 가스켓(21b)의 표면에 밀착되면서 이 가스켓(21b)의 밀착면과 상기한 채널에 의하여 형성될 수 있다.
본 발명에 있어 상기 보조 통로(41a, 41b)는 도면에서와 같이, 수소통로(15) 및 공기통로(17)의 연결 부분(C)에 연결 형성되는 것에 한정되지 않고, 상기 수소 통로(15) 및 공기통로(17) 중 어느 한 통로의 상기 연결 부분(C)에 연결 형성될 수도 있다.
따라서 세퍼레이터(23, 25)의 수소 통로(15)와 공기통로(17)로 수소 가스와 공기를 공급하게 되면, 수소 가스와 공기의 일부가 수소통로(15) 및 공기통로(17)를 통과하게 되고, 나머지는 수소통로(15)와 공기통로(17)의 주입부(14a, 14b) 측에서 보조 통로(41a, 41b)를 통해 분산되면서 배출부(16a, 16b) 측으로 흐르게 된다.
이로써 수소통로(15)와 공기통로(17)의 주입부(14a, 14b)와 배출부(16a, 16b) 측에서의 수소 가스 및 공기의 농도 차이를 줄일 수 있으므로, MEA(21)의 활성 영역(21a)에 대한 수소 가스와 공기의 균일한 산화/환원 반응을 유도할 수 있다. 또한 공기통로(17)의 주입부(14b) 측에서 집중적으로 발생하는 수분을 보조 통로(41b)를 통해 분산시킬 수 있으므로, 공기의 흐름을 원활하게 하고, 상기한 수분을 배출부(16b) 측으로 원활하게 배출시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 대한 세퍼레이터의 변형예로서, 이 경우는 도면에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(23, 25)의 어느 한 쪽 가장자리 부분에 위치하는 연결 부분(C)과 연통하는 보조 통로(41a, 41b)를 구비할 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.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 공기통로와 수소통로의 주입부 측과 배출부 측을 연결하는 보조 통로를 구비함에 따라, 주입부 측과 배출부 측에 대한 수소 가스와 공기의 농도 차이를 줄여 막-전극 어셈블리의 활성 영역의 균일한 반응을 가능하게 함은 물론 공기통로의 주입부 측에서 집중적으로 발생하는 수분을 배출부 측으로 원활하게 배출시킴으로써 연료 전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며,
    상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어지고,
    상기 세퍼레이터는,
    상기 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착되는 밀착부분과 그 양면에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 메인 통로와, 상기 메인 통로와 실질적으로 연통하는 보조 통로를 구비하고,
    상기 막-전극 합성체의 양면에 상응하는 제1 영역에 상기 메인 통로를 형성하고, 상기 막-전극 합성체의 가장자리 외측에 상응하는 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 통로는 상기 막-전극 어셈블리의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로를 형성하 는 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 발생부는 상기 막-전극 어셈블리와 양 세퍼레이터 사이의 가장자리 부분에 개재되는 가스켓을 구비하고, 상기 가스켓에 상응하는 상기 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 메인 통로는 세퍼레이터 몸체에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되며,
    상기 보조 통로는 상기 양단을 연결하는 적어도 둘 이상의 연결 부분과 연통하면서 서로 연결되는 패스를 형성하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 통로는 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극에 위치하는 메인 통로와 연통하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 발생부가 복수로 구비되어 스택을 형성하고, 상기 스택과 연료 공급부 사이에, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 발생 시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 스택에 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  9. 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어진 적어도 하나의 전기 발생부를 구비하고,
    상기 세퍼레이터는,
    상기 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착되는 밀착부분과 그 양면에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 메인 통로와, 상기 메인 통로와 실질적으로 연통하는 보조 통로를 구비하고,
    상기 막-전극 합성체의 양면에 상응하는 제1 영역에 상기 메인 통로를 형성하고, 상기 막-전극 합성체의 가장자리 외측에 상응하는 제2 영역에 상기 보조 통 로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 메인 통로는 막-전극 어셈블리의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기 발생부는 상기 막-전극 어셈블리와 양 세퍼레이터 사이의 가장자리 부분에 개재되는 가스켓을 구비하고, 상기 가스켓에 상응하는 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 메인 통로는 세퍼레이터 몸체에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되며,
    상기 보조 통로는 상기 양단을 연결하는 적어도 둘 이상의 연결 부분과 연통하면서 서로 연결되는 패스를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 보조 통로는 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극에 위치하는 메인 통 로와 연통하는 연료 전지 시스템용 스택.
  14. 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되어 연료 전지용 스택의 전기 발생부를 구성하는 세퍼레이터(Separator)에 있어서,
    몸체;
    상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 몸체의 일면에 각각 배치되는 메인 통로; 및
    상기 메인 통로와 실질적으로 연통하는 보조 통로
    를 포함하며,
    상기 막-전극 합성체의 양면에 상응하는 제1 영역에 상기 메인 통로를 형성하고, 상기 막-전극 합성체의 가장자리 외측에 상응하는 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 세퍼레이터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 메인 통로는 상기 막-전극 어셈블리의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 세퍼레이터.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 전기 발생부는 상기 막-전극 어셈블리와 양 세퍼레이터 사이의 가장자리 부분에 개재되는 가스켓을 구비하고, 상기 가스켓에 상응하는 제2 영역에 상기 보조 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 세퍼레이터.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 메인 통로는 세퍼레이터 몸체에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되며,
    상기 보조 통로는 상기 양단을 연결하는 적어도 둘 이상의 연결 부분과 연통하면서 서로 연결되는 패스를 형성하는 연료 전지 시스템용 세퍼레이터.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 보조 통로는 상기 막-전극 어셈블리의 캐소드 전극에 위치하는 메인 통로와 연통하는 연료 전지 시스템용 세퍼레이터.
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