KR20070056615A - 연료 전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 복수의 전기 발생부들을 가지면서 상기 전기 발생부들을 연속적으로 배치하여 상기 전기 발생부들에 의한 집합체 구조로서 이루어지는 연료전지 본체를 포함하며, 상기 연료전지 본체는 대기와 연통되면서 상기 전기 발생부들에서 생성되는 수증기를 배출시키는 수증기 배출부를 포함하고 상기 수증기 배출부가 상방을 향하도록 지면에 대해 직립되게 설치되며, 상기 수증기 배출부는 소정 길이의 파이프로서 이루어지며, 상기 파이프의 수직 방향을 기준할 때 상기 수직 방향의 외측으로 절곡되게 형성된다.

연료전지, 본체, 스택, 전기발생부, 세퍼레이터, 엔드플레이트, 수증기배출부, 파이프, 절곡, 이물질

Description

연료 전지 스택 {FUEL CELL STACK}

도 1은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성을 도시한 부분 분해 사시도이다.

도 2는 도 1의 결합 측면 구성도이다.

도 3은 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성을 도시한 측면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 본체의 수증기 배출구의 구조를 개선한 연료 전지 스택에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)로 구분될 수 있다.

고분자 전해질형 연료 전지는 개질기로부터 공급되는 수소의 산화 반응, 및 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.

직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소를 사용하지 않고 연료를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소의 산화 반응 및, 별도로 공급되는 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.

이와 같은 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료전지 본체로서 구성되는 바, 이 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly)(MEA)(이하, "MEA"라고 한다)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트' 라고도 한다.)를 밀착되게 배치하여 구성되는 셀(cell) 단위 전기 발생부가 수 개 내지 수십 개로 적층되어 이루어진다. 이에 더하여, 연료 전지 스택에는 각각의 전기 발생부에서 산소의 환원 반응에 의해 발생되는 수증기를 대기 중으로 배출시키기 위한 수증기 배출부를 구비하고 있다. 특히, 종래의 연료 전지 스택은 시스템의 외관을 이루는 케이스의 내부 공간에 직립되게 설치되는 바, 이 때 수증기 배출부는 수증기를 대기 중으로 배출시키기 위해 대기 중으로 수직하게 형성되고 있다.

그런데, 종래의 연료 전지 스택은 수증기 배출부가 대기 중으로 수직하게 형성되고 있기 때문에, 이 스택의 휴지 기간시 먼지와 같은 대기 중의 이물질이 수증기 배출부를 통해 전기 발생부로 유입되게 된다. 따라서, 종래의 연료 전지 스택은 이와 같은 이물질의 유입으로 인해 전기 발생부의 성능이 저하됨은 물론 전체 스택의 수명이 짧아지게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 그 목적은 수증기 배출부의 구조를 개선하여 스택의 휴지 기간시 대기 중의 이물질이 수증기 배출부를 통해 전기 발생부로 유입되지 않게 하는 연료 전지 스택을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 복수의 전기 발생부들을 가지면서 상기 전기 발생부들을 연속적으로 배치하여 상기 전기 발생부들에 의한 집합체 구조로서 이루어지는 연료전지 본체를 포함하며, 상기 연료전지 본체는 대기와 연통되면서 상기 전기 발생부들에서 생성되는 수증기를 배출시키는 수증기 배출부를 포함하고 상기 수증기 배출부가 상방을 향하도록 지면에 대해 직립되게 설치되며, 상기 수증기 배출부는 소정 길이의 파이프로서 이루어지며, 상기 파이프의 수직 방향을 기준할 때 상기 수직 방향의 외측으로 절곡되게 형성된다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 연료전지 본체는 상기 수증기 배출부가 상기 수직 방향에 직교하는 방향으로 절곡되게 형성될 수 있다. 이 경우 상기 수증기 배출부는 상기 수증기를 배출시키는 배출 포트를 형성하고, 상기 배출 포트가 상기 직교 방향을 향하여 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 연료전지 본체는 상기 수증기 배출부가 상기 직교 방향에서 상기 수직 방향으로 절곡되게 형성될 수도 있다. 이 경우 상기 수증기 배출부는 상기 수증기를 배출시키는 배출 포트를 형성하고, 상기 배출 포트가 상기 수직 방향을 향하여 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 연료전지 본체는 최 외측의 상기 전기 발생부에 각각 밀착되게 배치되는 엔드 플레이트를 포함하며, 상기 엔드 플레이트에 상기 수증기 배출부를 형성하여 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 스택은, 상기 연료전지 본체가 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cel)로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 스택은, 상기 연료전지 본체가 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)로서 구성될 수도 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 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성을 도시한 부분 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 결합 측면 구성도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 따른 연료 전지 스택(100)을 설명하면, 이 연료 전지 스택(100)은 연료의 산화 반응, 및 산소의 환원 반응에 의해 전 기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 발생부(11)를 포함하여 구성된다.

따라서, 본 실시예에 의한 연료 전지 스택(100)은 이와 같은 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부(11)를 연속적으로 밀착되게 배치함으로써 이들 전기 발생부(11)에 의한 집합체 구조의 연료전지 본체(10)를 형성할 수 있다.

이러한 연료 전지 스택(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 탄화수소 계열의 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다.

상기에서, 연료전지 본체(10)는 메탄올, 알코올 등과 같은 알코올계 액체 연료를 직접적으로 제공받아 전기 발생부(11)에 의한 액체 연료의 산화 반응, 및 산소의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)(당 업계에서는 통상적으로 "직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)" 라고도 한다.) 방식으로서 구성될 수 있다.

대안으로서, 연료전지 본체(10)는 통상적인 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹(cracking) 된 수소를 연료로서 사용할 수도 있다. 이 경우 연료 전지 스택(100)은 전기 발생부(11)에 의한 수소의 산화 반응, 및 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.

상술한 바와 같이 연료전지 본체(10)는 전기 발생부들(11)에 의한 집합체 구조로서 이루어지는 바, 이러한 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane- Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한다.)(12)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 "바이폴라 플레이트(bipolar plate)"라고도 한다.)(13)를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.

여기서, MEA(12)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하고 있다. 애노드 전극은 연료에 함유된 수소의 산화 반응을 일으켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 산소를 환원 반응시켜 수분과 열을 생성하는 기능을 하게 된다. 그리고, 세퍼레이터(13)는 연료, 및 산소를 MEA(12)로 분산 공급하는 기능 외에, MEA(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 전기적으로 연결하는 전도체로서의 기능도 하게 된다.

이러한 연료전지 본체(10)는 최 외측의 전기 발생부(11)에 각각 밀착되게 배치되는 엔드 플레이트(17)가 제공되는 바, 이들 엔드 플레이트(17)는 통상적인 체결부재에 의해 체결되면서 복수의 전기 발생부들(11)을 가압하여 밀착시키는 이른바 가압판으로서의 기능을 하게 된다.

본 실시예에서, 엔드 플레이트(17)에는 연료를 전기 발생부들(11)로 주입시키기 위한 연료 주입부(21)와, 산소를 전기 발생부들(11)로 주입시키기 위한 산소 주입부(22)와, 전기 발생부들(11)에서 반응하고 남은 연료를 배출시키기 위한 미반응연료 배출부(23)와, 전기 발생부들(11)에서 환원 반응에 의해 생성되는 수증기를 배출시키기 위한 수증기 배출부(24)를 형성하고 있다.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 스택(100)은 시스템을 구성하는 케이스(도면에 도시되지 않음)의 내부 공간에 설치되는 바, 이 케이스 내부의 바닥면에 대해 수직 방향(도면에서의 Z축 방향)으로 직립되게 설치된다. 이 때, 연료전지 본체(10)의 수증기 배출부(24)는 케이스 내부의 대기와 연통되면서 도면에서의 Z축 방향을 향하여 형성되고 있다.

본 실시예에 따르면, 연료전지 본체(10)의 수증기 배출부(24)는 수직 방향을 향하는 소정 길이의 파이프(24a)로서 구비되며, 이 파이프(24a)는 수증기를 배출시키는 배출 포트(24b)를 형성하고 있다. 이러한 수증기 배출부(24)는 파이프(24a)의 수직 방향(도면에서의 Z축 방향)을 기준할 때, 이 파이프(24a)가 수직 방향의 외측으로 절곡되게 형성된다.

이와 같이 수증기 배출부(24)의 파이프(24a)를 수직 방향의 외측으로 절곡되게 형성하는 이유는, 연료전지 본체(10)의 휴지 기간시 먼지와 같은 대기 중의 이물질이 파이프(24a)의 배출 포트(24b)를 통해 전기 발생부(11)로 유입되는 것을 방지하기 위함이다.

본 실시예에서, 수증기 배출부(24)는 도면에 도시한 바와 같이, 파이프(24a)의 수직 방향에 직교하는 방향으로서 대략 "ㄱ"자 형태로 절곡되게 형성되며, 파이프(24a)의 배출 포트(24b)가 상기한 직교 방향을 향하여 형성되고 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 연료전지 본체(10)의 수증기 배출부(24)가 파이프(24a)의 수직 방향에 직교하는 방향으로서 절곡되게 형성되고 있기 때문에, 이 파이프(24a)의 배출 포트(24b)가 수직 방향을 향하지 않 고 이 수직 방향에 직교하는 방향으로 향하게 됨으로써 먼지와 같은 대기 중의 이물질이 배출 포트(24b)를 통해 전기 발생부(11)로 유입되지 않게 된다.

도 3은 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성을 도시한 측면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 스택(200)은 수증기 배출부(124)의 파이프(124a)가 수직 방향에 직교하는 방향에서 상기한 수직 방향으로 절곡되게 형성되는 연료전지 본체(110)를 구성할 수 있다.

구체적으로, 연료전지 본체(110)의 수증기 배출부(124)는 도면에 도시한 바와 같이, 파이프(124a)가 수직 방향에서 이 수직 방향에 직교하는 방향으로 절곡되면서 다시 상기 수직 방향으로 절곡되게 형성되는 바, 대략 "ㄷ"자 형상으로서 절곡되게 형성된다. 즉, 파이프(124)의 배출 포트(124b)가 엔드 플레이트(117)를 향하여 형성되고 있다.

본 실시예에 의한 연료 전지 스택(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

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.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 수증기 배출부가 수직 방향의 외측으로 절곡되게 형성됨에 따라, 대기 중의 이물질이 수증기 배출부를 통해 전기 발생부로 유입되지 않게 된다. 따라서, 이물질로 인해 전기 발생부의 성능이 저하되거나 전체 스택의 수명이 단축되는 등의 폐단을 방지할 수 있다.

Claims (8)

1. 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 복수의 전기 발생부들을 가지면서 상기 전기 발생부들을 연속적으로 배치하여 상기 전기 발생부들에 의한 집합체 구조로서 이루어지는 연료전지 본체

   를 포함하며,

   상기 연료전지 본체는, 대기와 연통되면서 상기 전기 발생부들에서 생성되는 수증기를 배출시키는 수증기 배출부를 포함하고, 상기 수증기 배출부가 상방을 향하도록 지면에 대해 직립되게 설치되며,

   상기 수증기 배출부는 소정 길이의 파이프로서 이루어지며, 상기 파이프의 수직 방향을 기준할 때 상기 수직 방향의 외측으로 절곡되게 형성되는 연료 전지 스택.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 연료전지 본체는,

   상기 수증기 배출부가 상기 수직 방향에 직교하는 방향으로 절곡되게 형성되는 연료 전지 스택.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 수증기 배출부는,

   상기 수증기를 배출시키는 배출 포트를 형성하고, 상기 배출 포트가 상기 직교 방향을 향하여 형성되는 연료 전지 스택.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 연료전지 본체는,

   상기 수증기 배출부가 상기 직교 방향에서 상기 수직 방향으로 절곡되게 형성되는 연료 전지 스택.
5. 제4 항에 있어서,

   상기 수증기 배출부는,

   상기 수증기를 배출시키는 배출 포트를 형성하고, 상기 배출 포트가 상기 수직 방향을 향하여 형성되는 연료 전지 스택.
6. 제1 항에 있어서,

   상기 연료전지 본체는 최 외측의 상기 전기 발생부에 각각 밀착되게 배치되는 엔드 플레이트를 포함하며, 상기 엔드 플레이트에 상기 수증기 배출부를 형성하는 연료 전지 스택.
7. 제1 항에 있어서,

   상기 연료전지 본체가 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cel)로서 구성되는 연료 전지 스택.
8. 제1 항에 있어서,

   상기 연료전지 본체가 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)로서 구성되는 연료 전지 스택.

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