KR20060065776A - 연료 전지 시스템, 스택 및 세퍼레이터 - Google Patents

연료 전지 시스템, 스택 및 세퍼레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)의 양면에 밀착 배치되어 수소 통로와 산소 통로를 형성하는 세퍼레이터(Separator)를 포함하는 전기 발생부와, 수소를 상기 수소 통로로 공급하는 연료 공급원과, 산소를 상기 산소 통로로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,
상기 적어도 하나의 통로는, 수소 및/또는 산소의 유입부 측에서 유출부 측으로 갈수록 상기 수소 및/또는 산소의 유동 단면적이 점차 커지도록 된 구조로 이루어진다.
연료전지, 스택, 전기발생부, 세퍼레이터, 수소통로, 산소통로, 유동단면적, 폭

Description

연료 전지 시스템, 스택 및 세퍼레이터 {FUEL CELL SYSTEM, STACK AND SEPARATOR}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 전기 발생부의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.
도 4는 도 2에 도시한 세퍼레이터의 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 같은 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 산소를 막-전극 어셈블리로 공급하는 수소 통로와 및 산소 통로를 형성하고 있다.
그런데 종래의 연료 전지는 대체적으로 수소 통로와 산소 통로의 유입부 측에서 수소와 산소의 산화/환원 반응이 집중적으로 일어나게 되고, 특히 산소 통로의 유입부 측에서 유출부 측 보다 많은 수분이 발생하게 된다. 따라서 상기한 유입부 측과 유출부 측에서의 불균일한 반응에 의하여 막-전극 어셈블리가 변형될 염려가 있고, 상기 산소 통로의 유입부 측에서 집중적으로 발생하는 수분이 유출부 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, 산소 통로의 유입부 측에서 집중적으로 발생하는 수분을 원활하게 배출시키는 연료 전지 시스템, 스택 및 세퍼레이터를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)의 양면에 밀착 배치되어 수소 통로와 산소 통로를 형성하는 세퍼레이터(Separator)를 포함하는 전기 발생부와, 수소를 상기 수소 통로로 공급하는 연료 공급원과, 산소를 상기 산소 통로로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,
상기 적어도 하나의 통로는, 수소 및/또는 산소의 유입부 측에서 유출부 측으로 갈수록 상기 수소 및/또는 산소의 유동 단면적이 점차 커지도록 된 구조로 이루어진다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 통로는 임의의 간격을 가진 다수의 직선 패스를 형성하고, 이 직선 패스의 양단을 교호적으로 연결하여 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 통로는 상기 유입부 측에서 유출부로 갈수록 상기 직선 패스의 폭 증가율이 대략 1∼10%를 만족하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급원이 상기 수소 통로로 수소 가스를 공급하는 구조로 되어 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급원이 상기 수소 통로로 액상의 연료를 공급하는 구조로 되어 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 산소 공급원이 상기 산소 통로로 공기를 공급하는 구조로 되어 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착 배치되어 수소 통로와 산소 통로를 형성하는 세퍼레이터(Separator)로 구성되는 전기 발생부를 포함하며,
상기 세퍼레이터는, 상기 수소 통로 및 산소 통로 각각에 대하여 수소와 산소를 유출입시키는 유입부 및 유출부를 형성하고,
상기 적어도 하나의 통로는, 수소 및/또는 산소의 유입부 측에서 유출부 측으로 갈수록 그 폭이 점차 넓어지도록 된 구조로 되어 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 각각의 세퍼레이터는 일면에 채널을 형성하고, 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되어 상기 채널에 의한 상기 수소 통로와 산소 통로를 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 통로는 임의의 간격을 가진 다수의 직선 패스를 형성하고, 이 직선 패스의 양단을 교호적으로 연결하여 형성되며, 상기 유입부 측에서 유출부로 갈수록 상기 직선 패스의 폭 증가율이 대략 1∼10%를 만족하도록 형성될 수 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 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 상기 몸체의 일면에 배치되는 통로를 포함하며,
상기 몸체는, 상기 수소 통로 및 산소 통로 각각에 대하여 수소와 산소를 유출,입시키는 유입부 및 유출부를 형성하고,
상기 적어도 하나의 통로는, 수소 및/또는 산소의 유입부 측에서 유출부 측으로 갈수록 그 폭이 점차 넓어지도록 된 구조로 되어 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 세퍼레이터에 있어서, 상기 통로는 상기 유입부 측에서 유출부로 갈수록 그 폭이 대략 1∼10% 넓어지는 구조로 이루어진다. 이 경우 상기 통로는, 임의의 간격을 가진 다수의 직선 패스를 형성하고 이 직선 패스의 양단을 교호적으로 연결하여 형성되며, 상기 유입부 측의 직선 패스를 기준으로 상기 유출부로 갈수록 이 직선 패스의 폭이 점차 넓어지는 형태를 취한다.
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 개략적으로 도시한 블록도이다.
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 산화제 가스를 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 연료를 포함한다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료를 의미한다.
그리고 본 시스템(100)은 수소 가스와 반응하는 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 사 용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)와, 전술한 바 있는 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 연료 공급원(30)과, 공기를 전기 발생부(11)로 공급하는 산소 공급원(50)을 포함한다.
전기 발생부(11)는 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, 15)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 연료 전지를 구성한다.
따라서 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속 배치함으로써 전기 발생부(11)들의 집합체 구조인 스택(10)을 형성할 수 있다.
연료 공급원(30)은 상기한 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 이 연료 탱크(31)에 연결 설치되어 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프(33)와, 상기 연료 탱크(33)와 스택(10) 사이에 배치되어 연료 탱크(33)로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(35)를 포함한다.
이 연료 공급원(30)에 있어 상기 개질기(35)는 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기 한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 것이 바람직하다. 그리고 상기 개질기(35)는 예컨대 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 것이 바람직하다. 이러한 개질기(35)는 통상적인 PEMFC 방식의 개질기 구성으로 이루어질 수 있으므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.
그리고 산소 공급원(50)은 공기를 흡입하고, 이 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 공기 펌프(51)를 포함한다.
따라서 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 연료 공급원(30)을 통해 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하고, 산소 공급원(50)을 통해 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 이 전기 발생부(11)에서는 수소 가스 중의 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지, 물 그리고 열을 발생시킨다.
대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 메탄올, 에탄올과 같은 액상의 연료를 직접 전기 발생부(11)로 공급하여 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 전지 방식의 연료 전지 시스템(100)은 고분자 전해질형 연료 전지 방식과 달리, 도 1에 가상선으로 도시한 개질기(35)를 필요로 하지 않고, 연료 탱크(31)와 연료 펌프(33)로 구성되는 연료 공급원(30)을 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전술한 바 있는 전기 발생부(11)의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1에 도시한 전기 발생부의 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이고, 도 4는 도 2에 도시한 세퍼레이터의 평면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 전기 발생부(11)는 언급한 바 있듯이 MEA(12)의 양면에 세퍼레이터(13, 15)를 배치하여 이루어지는 바, 이 MEA(12)는 소정의 면적을 가지고 산화/환원 반응이 일어나는 활성 영역(12a)을 구비하며, 이 활성 영역(12a)의 일면에 애노드 전극, 다른 일면에 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 그리고 상기 활성 영역(12a)의 가장자리 부분에는 가스켓(12b)이 연결 형성되는 바, 이 가스켓(12b)은 양 세퍼레이터(13, 15) 사이에서 활성 영역(12a)의 가장자리 부분을 실링하는 기능을 하게 된다.
여기서 상기 MEA(12)의 애노드 전극은 개질기(35)로부터 공급되는 수소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. MEA(12)의 캐소드 전극은 공기 펌프(51)로부터 공급되는 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온을 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 MEA(12)의 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.
이 MEA(12)를 사이에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(13, 15)는 상기 MEA(12)의 양측에 수소 통로(14)와 산소 통로(17)를 형성한다. 상기 수소 통로(14)는 MEA(12)의 애노드 전극에 위치하여 개질기(35)로부터 공급되는 수소 가스 를 상기 애노드 전극으로 공급하는 기능을 하게 된다. 그리고 상기 산소 통로(17)는 MEA(12)의 캐소드 전극에 위치하여 공기 펌프(51)로부터 공급되는 공기를 상기 캐소드 전극으로 공급하는 기능을 하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 수소 통로(14) 및 산소 통로(17)는 세퍼레이터(13, 15)의 몸체(13a, 15a)의 일면에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성되는 리브(13b, 15b)와, 상기 리브(13b, 15b)들 사이의 공간인 채널(13c, 15c)에 의하여 형성될 수 있다. 여기서 상기 리브(13b, 15b)는 MEA(12)의 양측면에 밀착되는 밀착부분을 의미하고, 상기 채널(13c, 15c)은 MEA(12)의 양측면에 이격되는 이격부분을 의미한다.
이러한 상기 통로(14, 17)는 세퍼레이터 몸체(13a, 15a)에 임의 간격을 두고 직선 상태로 배치되는 다수의 직선 패스(14a, 17a)를 형성하며, 이 직선 패스(14a, 17a)의 양단이 교호적으로 연결되어 전체적인 형상이 사행(蛇行: meander)의 형태로 이루어진다. 이 때 상기한 직선 패스(14a, 17a)는 세퍼레이터 몸체(13a, 15a)가 대략 사각형(본 실시예에서는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 가로 폭이 넓은 직사각형)인 점을 감안할 때, 세퍼레이터 몸체(13a, 15a)의 장변 방향으로 배치되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 각각의 세퍼레이터(13, 15)는 수소 통로(14)와 산소 통로(17)로 수소 가스와 공기를 주입시키기 위한 매니폴드 타입의 유입부(13d, 15d)와, 각각의 통로(14, 17)를 통과하면서 MEA(12)에 대하여 반응하고 남은 수소 가스와 공기를 배출시키기 위한 매니폴드 타입의 유출부(13e, 15e)를 형성하고 있다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 세퍼레이터(13, 15)의 수소 통로(14)와 산소 통로(17)를 통과하는 수소 가스와 공기는 유입부(13d, 15d) 측과 유출부(13e, 15e) 측에서의 농도 차에 의하여 대체적으로 상기 유입부(13d, 15d) 측에서 MEA(12)에 의한 산화/환원 반응이 집중적으로 일어나게 된다. 특히 산소 통로(17)의 유입부(15d) 측에서는 상기와 같은 공기의 집중적인 환원 반응에 의하여 유출부(15e) 측 보다 수분이 더 많이 발생하게 된다.
이에 본 실시예에 의한 전기 발생부(11)에 있어 상기 수소 통로(14)와 산소 통로(17)는 세퍼레이터(13, 15)의 유입부(13d, 15d) 측에서 유출부(13e, 15e) 쪽으로 갈수록 수소 가스와 공기의 유동 단면적이 점차 커지는 형태를 취하고 있다. 이는 수소 통로(14)와 산소 통로(17)의 유입부(13d, 15d)와 유출부(13e, 15e) 측에서의 수소 가스 및 공기의 농도 차이를 줄여 MEA(12)의 활성 영역(12a)에 대한 수소 가스와 공기의 균일한 산화/환원 반응을 유도하기 위함이다.
구체적으로, 상기 수소 통로(14)와 산소 통로(17)는 세퍼레이터(13, 15)의 유입부(13d, 15d)를 기준으로, 이 유입부(13d, 15d)에서 유출부(13e, 15e)를 향하여 일정 간격 이격되게 배치되는 직선 패스(14a, 17a)의 폭이 점차 넓어지는 구조로 되어 있다. 이 때 상기 각 직선 패스(14a, 17a)들의 폭 증가율은 대략 1∼10%를 만족하는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 수소 통로(14)와 산소 통로(17)는 유입부(13d, 15d) 측에 위치하는 제1 직선 패스(14a, 17a)의 폭이 대략 10㎜인 경우, 유출부(13e, 15e)를 향하여 배치되는 각 제2....N 직선 패스(14a, 17a)의 폭이 대략 0.1㎜씩 증가하도록 형성된다. 그리고 상기한 수소 통로(14)와 산소 통로(17)에 있 어 각 직선 패스(14a, 17a)의 양단을 교호적으로 연결하는 부분은 서로 대응하는 한 쌍의 직선 패스(14a, 17a) 중 어느 하나의 폭과 동일한 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
대안으로서, 본 발명은 상술한 바와 같이 산소 통로(14)와 수소 통로(17)가 세퍼레이터(13, 15)의 유입부(13d, 15d)에서 유출부(13e, 15e) 쪽으로 갈수록 폭이 점차 좁아지는 형태로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 이들 통로 중 어느 하나의 통로가 상술한 바와 같은 구조로 이루어질 수 있다.
따라서 상기와 같이 구성되는 본 발명의 연료 전지 시스템(100)에 있어 개질기(35)로부터 발생되는 수소 가스를 일측 세퍼레이터(13)의 유입부(13d)로 공급하게 되면, 이 수소 가스는 세퍼레이터(13)의 수소 통로(14)를 따라 흐르면서 MEA(12)의 애노드 전극으로 공급되게 된다. 이로써 상기 수소 가스 중의 수소는 애노드 전극에서 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환되고, 이 때 상기 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 그리고 상기한 전자는 전해질막을 통과하지 못하고 별도의 단자부(도시하지 않음)를 통해 이웃하는 전기 발생부(11)의 캐소드 전극으로 이동되는 바, 전기 발생부(11)에서는 위와 같은 전자의 흐름으로 기설정된 출력량의 전기 에너지를 발생시킨다.
이러는 과정을 거치는 동안, 공기 펌프(51)를 가동시켜 공기를 다른 일측 세퍼레이터(15)의 유입부(15d)로 공급하게 되면, 상기 공기는 산소 통로(17)를 따라 흐르면서 MEA(12)의 캐소드 전극으로 공급되게 되는 바, 공기 중의 산소와 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 이동된 수소 이온이 환원 반응을 일으키게 된다. 따 라서 상기 MEA(12)의 캐소드 전극에서는 상기한 환원 반응에 의하여 소정 온도의 열과 수분을 발생시킨다.
이 과정에서, 수소 통로(14)와 산소 통로(17)가 세퍼레이터(13, 15)의 유입부(13d, 15d) 측에서 유출부(13e, 15e) 쪽으로 갈수록 유동 단면적이 점차 커지는 형태를 취하고 있기 때문에, 수소 통로(14)와 산소 통로(17)의 유입부(13d, 15d)와 유출부(13e, 15e) 측에서의 수소 가스 및 공기의 농도 차이를 줄일 수 있게 된다.
따라서 MEA(12)의 활성 영역(12a)에 대한 수소 가스와 공기의 균일한 산화/환원 반응을 유도할 수 있으므로, 특히 산소 통로(17)의 유입부(15d) 측에서 발생하는 수분을 유출부(15e) 측으로 원활하게 배출시킬 수 있게 되고, 이로 인해 공기가 산소 통로(17)로 원활하게 흐를 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 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 세퍼레이터의 유입부 측에서 유출부로 갈수록 수소 통로와 산소 통로의 유동 단면적이 점차 커지도록 된 구조를 가지므로, 세퍼레이터의 유입부 측과 유출부 측에 대한 수소 가스와 공기의 농도 차이를 줄여 막-전극 어셈블리의 활성 영역의 균일한 반응을 가능하게 함은 물론, 산소 통로의 유입부 측에서 집중적으로 발생하는 수분을 유출부 측으로 원활하게 배출시킴으로써 연료 전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (13)

  1. 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)의 양면에 밀착 배치되어 수소 통로와 산소 통로를 형성하는 세퍼레이터(Separator)를 포함하는 전기 발생부;
    수소를 상기 수소 통로로 공급하는 연료 공급원; 및
    산소를 상기 산소 통로로 공급하는 산소 공급원
    을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 통로는, 수소 및/또는 산소의 유입부 측에서 유출부 측으로 갈수록 상기 수소 및/또는 산소의 유동 단면적이 점차 커지도록 된 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 통로는 임의의 간격을 가진 다수의 직선 패스를 형성하고, 이 직선 패스의 양단을 교호적으로 연결하여 형성되는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 통로는 상기 유입부 측에서 유출부로 갈수록 상기 직선 패스의 폭 증가율이 대략 1∼10%를 만족하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급원이 상기 수소 통로로 수소 가스를 공급하는 구조의 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급원이 상기 수소 통로로 액상의 연료를 공급하는 구조의 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소 공급원이 상기 산소 통로로 공기를 공급하는 구조의 연료 전지 시스템.
  8. 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착 배치되어 수소 통로와 산소 통로를 형성하는 세퍼레이터(Separator)로 구성되는 전기 발생부
    를 포함하며,
    상기 세퍼레이터는, 상기 수소 통로 및 산소 통로 각각에 대하여 수소와 산소를 유출입시키는 유입부 및 유출부를 형성하고,
    상기 적어도 하나의 통로는, 수소 및/또는 산소의 유입부 측에서 유출부 측으로 갈수록 그 폭이 점차 넓어지도록 된 연료 전지 시스템용 스택.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 각각의 세퍼레이터는 일면에 채널을 형성하고, 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되어 상기 채널에 의한 상기 수소 통로와 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 통로는 임의의 간격을 가진 다수의 직선 패스를 형성하고, 이 직선 패스의 양단을 교호적으로 연결하여 형성되며,
    상기 유입부 측에서 유출부로 갈수록 상기 직선 패스의 폭 증가율이 대략 1∼10%를 만족하는 연료 전지 시스템용 스택.
  11. 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; 및
    상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 상기 몸체의 일면에 배치되는 통로
    를 포함하며,
    상기 몸체는, 상기 수소 통로 및 산소 통로 각각에 대하여 수소와 산소를 유출,입시키는 유입부 및 유출부를 형성하고,
    상기 적어도 하나의 통로는, 수소 및/또는 산소의 유입부 측에서 유출부 측으로 갈수록 그 폭이 점차 넓어지도록 된 연료 전지 시스템용 세퍼레이터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 통로는 상기 유입부 측에서 유출부로 갈수록 그 폭이 대략 1∼10% 넓어지는 연료 전지 시스템용 세퍼레이터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 통로는,
    임의의 간격을 가진 다수의 직선 패스를 형성하고 이 직선 패스의 양단을 교호적으로 연결하여 형성되며,
    상기 유입부 측의 직선 패스를 기준으로 상기 유출부로 갈수록 이 직선 패스의 폭이 점차 넓어지는 연료 전지 시스템용 세퍼레이터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7964322B2 (en) * 2007-02-06 2011-06-21 Samsung Sdi Co., Ltd. Separator for direct methanol fuel cell

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7964322B2 (en) * 2007-02-06 2011-06-21 Samsung Sdi Co., Ltd. Separator for direct methanol fuel cell
KR100874072B1 (ko) * 2007-10-01 2008-12-12 삼성에스디아이 주식회사 세퍼레이터 및 이를 채용한 연료전지 스택
US7842411B2 (en) 2007-10-01 2010-11-30 Samsung Sdi Co., Ltd. Separator and fuel cell stack using the same

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