KR20070056616A - 연료 전지 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택과, 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 상기 스택으로 공급하는 개질기와, 상기 스택과 개질기를 내장시키는 하우징을 포함하며, 상기 스택은 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 복수의 전기 발생부들과, 상기 전기 발생부들 사이에 형성되어 소정의 냉각 매체를 통과시키는 쿨링 통로와, 상기 쿨링 통로에 형성되어 연료의 산화 반응에 의해 열 에너지를 발생시키는 산화 촉매를 포함한다.

연료전지, 본체, 스택, 전기발생부, 세퍼레이터, 개질기, 쿨링통로, 산화촉매, 열에너지, 예열, 기동시간, 단축

Description

연료 전지 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 {FUEL CELL STACK AND FUEL CELL SYSTEM WITH THE SAME}

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

도 2는 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시한 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 4는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도 5는 도 4의 결합 평면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 스택 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지로 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

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

이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성으로 인해 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

이러한 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 "스택" 이라 한다)와, 연료를 개질하여 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 스택으로 공급하는 개질기와, 산화제 가스를 스택으로 공급하기 위한 공기펌프 또는 팬을 구비한다. 따라서 스택에서는 개질기로부터 공급되는 개질 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.

이와 같은 종래의 연료 전지 시스템은, 고온의 운전 온도 조건을 갖는 스택을 채용하는 경우, 시스템의 초기 기동시 이 스택의 운전에 필요한 온도 범위로서 스택을 예열시키는 바, 이를 위해 열선 또는 히팅램프와 같은 예열장치를 별도로 구비하고 있다.

그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 예열장치를 통해 전도 또는 대류의 작용 으로 스택을 예열시키는 바, 전체 스택에 대해 열이 고르게 전달되지 않아 시스템의 기동 시간이 길어지게 되는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 연료 전지 시스템은 위와 같은 예열 장치를 설치하기 위한 별도의 설치 공간이 필요하게 되므로, 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 연료 전지 시스템은 예열장치를 가동시키는데 따른 전력을 소모하게 되는 바, 스택에서 생산되는 전력으로 구동하는 시스템의 특성상, 예열장치에 의해 소비되는 기생전력이 증가하게 되어 전체 시스템의 성능 및 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 시스템의 초기 기동 시간을 단축시킬 수 있는 연료 전지 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 전기 발생부들의 집합체 구조로서 이루어지는 연료전지 본체를 포함하며, 상기 연료전지 본체는 상기 전기 발생부들 사이에 형성되어 소정의 냉각 매체를 통과시키는 쿨링 통로와, 상기 쿨링 통로에 형성되어 연료의 산화 반응에 의해 열 에너지를 발생시키는 산화 촉매를 포함한다.

상기 연료 전지 스택은, 상기 산화 촉매가 상기 쿨링 통로의 표면에 코팅되 게 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 쿨링 통로는 서로 이웃하는 상기 전기 발생부들에 대하여 상호 대향하게 밀착되는 상기 각 세퍼레이터에 채널 형태로서 형성되어 상기 두 채널이 합쳐져 하나의 통로로서 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 연료전지 본체는 상기 쿨링 통로 및 상기 산화 촉매를 가지면서 서로 이웃하는 상기 전기 발생부들 사이에 개재되는 쿨링 플레이트를 포함할 수도 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택과, 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 상기 스택으로 공급하는 개질기와, 상기 스택과 개질기를 내장시키는 하우징을 포함하며, 상기 스택은 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 복수의 전기 발생부들과, 상기 전기 발생부들 사이에 형성되어 소정의 냉각 매체를 통과시키는 쿨링 통로와, 상기 쿨링 통로에 형성되어 연료의 산화 반응에 의해 열 에너지를 발생시키는 산화 촉매를 포함한다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산화 촉매는 상기 쿨링 통로의 표면에 코팅되게 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료를 상기 개질기 및 상기 하우징의 내부 공간으로 공급하기 위한 연료 공급원과, 공기를 상기 스택 및 상기 하우징의 내부 공간으로 공급하기 위한 공기 공급원을 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 하우징에 설치되어 상기 냉각 매체를 상기 하우징의 내부 공간으로 송풍시키는 팬을 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 쿨링 통로는 서로 이웃하는 상기 전기 발생부들에 대하여 상호 대향하게 밀착되는 상기 각 세퍼레이터에 채널 형태로서 형성되어 상기 두 채널이 합쳐져 하나의 통로로서 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택은 상기 쿨링 통로 및 상기 산화 촉매를 가지면서 서로 이웃하는 상기 전기 발생부들 사이에 개재되는 쿨링 플레이트를 포함할 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 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은 연료, 및 산화제 가스를 이용하여 소정의 로드에 전기 에너지를 제공하는 발전 시스템으로서 구성된다.

구체적으로, 본 시스템(100)은 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스의 산화 반응 및 산화제 가스의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 탄화수소 계열의 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 그러나, 이하에서 설명하는 연료는 LPG 또는 LNG와 같은 기체 연료, 바람직하게는 부탄을 주성분으로 하는 액화 가스 연료를 의미한다.

그리고 본 시스템(100)은 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.

이와 같은 연료 전지 시스템(100)은, 고분자 전해질형 연료 전지로서 구성되는 스택(10)과, 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 스택(10)으로 공급하는 개질기(30)와, 이 개질기(30)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원(40)과, 공기를 스택(10)으로 공급하기 위한 공기 공급원(70)를 포함하여 구성된다.

상기에서, 스택(10)은 고온의 운전 온도 조건 예컨대, 대략 150~200℃의 운전 온도 범위를 갖는 통상적인 고온형 연료 전지 스택으로서 구성되는 바, 개질기(30)와 공기 공급원(70)에 각각 연결되게 설치된다. 이러한 스택(10)은 개질기(30)로부터 개질 가스를 공급받고 공기 공급원(70)으로부터 공기를 제공받아 개질 가스 중에 함유된 수소, 및 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 발생부(11)를 구비한다. 따라서, 본 실시예에 의한 스택(10)은 이와 같은 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부(11)를 연속적으로 밀착되게 배치함으로써 전기 발생부들(11)의 집합체 구조에 의한 연료전지 본체(20)로서 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 스택(10)은 전기 발생부들(11)의 집합체 구조에 의한 연료전지 본체(20)로서 구성되는 바, 이들 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한다.)(13)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 "바이폴라 플레이트(bipolar plate)"라고도 한다.)(15a, 15b)를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.

MEA(13)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하고 있다. 여기서, 애노드 전극은 개질 가스에 함유된 수소의 산화 반응을 일으켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키며, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 산소를 환원 반응시켜 수분과 열을 생성하는 기능을 하게 된다.

상기에서, 각 세퍼레이터(15a, 15b)는 MEA(13)를 사이에 두고 이의 양측에 밀착되게 배치되며, 개질 가스를 MEA(13)의 애노드 전극으로 분산 공급하고, 공기를 MEA(13)의 캐소드 전극으로 분산 공급하는 기능을 하게 된다. 그리고 각 세퍼레이터(15a, 15b)는 MEA(13)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 전기적으로 연결하는 전 도체로서의 기능도 하게 된다.

이를 위해 MEA(13)의 애노드 전극에 밀착되게 배치되는 일측 세퍼레이터(15a)(이하, "제1 세퍼레이터" 라고 한다.)는 이의 밀착면에 MEA(13)의 애노드 전극으로 개질 가스의 공급하기 위한 연료 통로(15c: 도 3 참조)를 형성하고 있다. 이 연료 통로(15c)는 MEA(13)의 애노드 전극과 대향하게 밀착되는 제1 세퍼레이터(15a)의 대향면(밀착면)에 채널 형태로서 형성될 수 있다. 그리고 MEA(13)의 캐소드 전극에 밀착되게 배치되는 다른 일측 세퍼레이터(15b)(이하, "제2 세퍼레이터" 라고 한다.)는 이의 밀착면에 MEA(13)의 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 공기 통로(15d)를 형성하고 있다. 이 공기 통로(15d)는 MEA(13)의 캐소드 전극과 대향하게 밀착되는 제2 세퍼레이터(15b)의 대향면(밀착면)에 채널 형태로서 형성될 수 있다. 즉, 각각의 전기 발생부(11)에 대해 제1 세퍼레이터(15a)는 MEA(13)의 애노드 전극에 밀착되는 밀착면에 연료 통로(15c)를 형성하고, 이 밀착면의 반대면이 편평한 구조로서 이루어진다. 그리고 제2 세퍼레이터(15b)는 MEA(13)의 캐소드 전극에 밀착되는 밀착면에 공기 통로(15d)를 형성하고, 이 밀착면의 반대면이 편평한 구조로서 이루어진다. 따라서, 이와 같이 구성되는 스택(10)은 서로 이웃하는 전기 발생부들(11)에 대해 각 세퍼레이터(15a, 15b)의 상기 반대면이 서로 밀착되는 연료전지 본체(20)로서 구성될 수 있다.

본 발명에 있어, 이러한 연료 전지 스택(10)은 연료전지 본체(20)의 서로 이웃하는 전기 발생부들(11) 사이로 소정의 냉각 매체를 유통시키기 위한 쿨링 통로(51)가 제공된다. 이와 같이 스택(10)에 쿨링 통로(51)를 형성하는 이유는, 시스템 의 정상 구동시 연료전지 본체(20)에서는 전기 발생부들(11)에 의한 산소의 환원 반응을 통해 스택(10)의 고유한 운전 온도 범위를 초과하는 열을 발생시키는 바, 이 쿨링 통로(51)로 냉각 매체를 유통시킴으로써 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(11)에서 발생되는 열을 냉각시키기 위함이다. 즉, 연료전지 본체(20)에서 과도하게 발생하는 열을 외부로 방출시킴으로써 스택(10)의 고유한 운전 온도 범위를 유지시키기 위함이다. 여기서, 냉각 매체는 자연 상태에서 쉽게 취할 수 있고, 연료전지 본체(20)의 내부 온도 보다 비교적 낮은 온도를 유지하는 대기 중의 공기를 사용할 수 있다.

본 실시예에서, 쿨링 통로(51)는 서로 이웃하는 전기 발생부들(11)에 대해 상호 대향하게 밀착되는 제1,2 세퍼레이터(15a, 15b)의 밀착면 즉, MEA(13)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착되는 면의 반대면에 형성되는 복수의 채널(51a)에 의하여 구성될 수 있다. 즉, 채널(51a)은 하나의 전기 발생부(11)에 대해 제1,2 세퍼레이터(15a, 15b)의 MEA(13)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착되는 면의 반대쪽 면과, 제1,2 세퍼레이터(15a, 15b)에 대향하게 밀착되는 이웃하는 다른 전기 발생부(11)의 제1,2 세퍼레이터(15a, 15b) 접면에 형성될 수 있다. 이 때, 복수의 채널(51a)은 제1,2 세퍼레이터(15a, 15b)의 상단부에서 하단부로 이어지는 직선 형태로서 형성될 수 있다. 따라서, 서로 이웃하는 전기 발생부들(11)이 서로 마주 보는 형태로 밀착되는 과정에서, 각 세퍼레이터(15a, 15b)의 접면에 형성되는 채널(51a)들이 서로 합체됨으로써 본 실시예에 의한 쿨링 통로(51)를 형성할 수 있게 된다.

한편, 도 1에 도시한 바와 같이 본 시스템(100)에 있어, 개질기(30)는 연료를 착화 연소시키거나 연료의 산화 반응에 의해 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 연료의 개질 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 이 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 이 때, 개질기(30)는 개질 가스를 스택(10)으로 제공하기 위하여 통상적인 파이프 라인 등에 의해 스택(10)의 연료전지 본체(20)와 연결되게 설치된다. 이러한 개질기(30)는 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템에 채용되는 통상적인 개질기의 구성으로 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기한 개질기(30)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원(40)은 부탄을 주성분으로 하는 기체 연료를 소정의 압력으로 압축하여 액화된 상태로 저장하는 연료 탱크(41)를 구비한다. 이 연료 탱크(41)는 자체의 내부 압력에 의해 연료를 배출시키기 위한 배출부(도면에 도시하지 않음)를 가진 원형의 캔 형태로서 이루어진다. 이 때, 연료 탱크(41)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 개질기(30)와 연결되게 설치된다.

그리고, 스택(10)의 연료전지 본체(20)로 공기를 공급하기 위한 공기 공급원(70)은 공기를 흡입하여 이 공기를 연료전지 본체(20)로 압송시키는 공기 펌프(71)를 구비하는 바, 이 공기 펌프(71)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(20)와 연결되게 설치된다.

상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)은 스택(10)이 고온형 연료 전 지 스택으로서 구비되는 바, 본 시스템(100)의 초기 기동시, 스택(10)의 고유한 운전 온도 조건(대략 150~200℃)에 상응하는 온도 범위로서 연료전지 본체(20)를 예열시킬 필요가 있다.

이에, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)은 도 3에 도시한 바와 같이, 스택(10)의 쿨링 통로(51)에 형성되는 산화 촉매(80)를 포함하고 있다.

상기에서, 산화 촉매(80)는 연료와 산소의 산화 반응을 촉진시켜 열 에너지를 발생시키기 위한 촉매 물질 예컨대, 백금(Pt), 루테늄(Ru) 등과 같은 통상적인 촉매 물질이 쿨링 통로(51)의 표면에 코팅되게 형성된다.

이러한 산화 촉매(80)는, 본 시스템(100)의 초기 기동시 스택(10)의 연료전지 본체(20)를 예열시키기 위해, 연료 탱크(41)로부터 공급되는 연료, 및 공기 펌프(71)로부터 공급되는 공기의 산화 반응에 의해 스택(10)의 고유한 운전 온도 조건에 상응하는 온도 범위(대략 150~200℃)의 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 스택(10)의 연료전지 본체(10)에 제공하는 기능을 하게 된다.

이에 더하여, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)은 상기에서와 같은 스택(10)과 개질기(30)를 내장시키는 하우징(60)을 포함하고 있다.

상기에서, 하우징(60)은 스택(10)과 개질기(30)를 수용하는 소정의 내부 공간을 가지면서 이 내부 공간으로 연료와 공기를 공급할 수 있는 구조로서 이루어진다. 상기에서와 같이 하우징(60)의 내부 공간에 스택(10)과 함께 개질기(30)를 내장시키는 이유는, 본 실시예에서 부탄과 같은 기체 연료를 사용하기 때문에, 이러한 기체 연료는 상온에서 산화 촉매(80)에 의해 산화 반응을 일으키지 못하게 되므 로, 개질기(30)에서 발생되는 열 에너지를 이용하여 상기 산화 촉매(80)를 이의 고유한 반응 개시 온도 범위 예컨대, 60~70℃의 온도 범위로서 예열시키기 위함이다.

구체적으로, 하우징(60)은 연료를 이의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구(61a)와, 공기를 상기 내부 공간으로 주입시키기 위한 제2 주입구(61b)를 형성하고 있다. 이 때, 제1 주입구(61a)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료 탱크(41)와 연결되며, 제2 주입구(61b)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 공기 펌프(71)와 연결된다.

도면에서, 미설명된 참조부호 61c는 하우징(60)의 내부 공간에서 산화 촉매(80)에 의한 연료와 산소의 산화 반응을 통해 발생되는 연소 가스, 및 뒤에서 더욱 설명하는 팬(90)의 가동에 의해 스택(10)의 쿨링 통로(51)를 통과하는 냉각 공기를 외부로 배출시키기 위한 배출구를 나타낸다.

대안으로서, 본 시스템(100)은 연료로서 메탄올, 에탄올 등과 같은 액체 연료를 사용하더라도 하우징(60)의 내부 공간에 스택(10)과 개질기(30)를 내장시키는 구조로서 이루어지고 있기 때문에, 하우징(60)의 내부 공간으로 주입되는 연료를 개질기(30)에서 발생되는 열 에너지에 의해 증발시키고, 산화 촉매(80)에 의한 상기 증발된 연료와 산소의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 스택(10)의 연료전지 본체(20)에 제공할 수 있게 된다.

따라서, 하우징(60)의 내부 공간에 스택(10)과 개질기(30)를 설치하고 있기 때문에, 시스템(100)의 초기 기동시 개질기(30)에서 발생되는 열 에너지는 스택(10)의 연료전지 본체(20)로 전달되고, 이에 따라 연료전지 본체(20)의 쿨링 통로 (51)에 형성된 산화 촉매(80)는 상기한 열 에너지를 제공받아 이의 반응 개시 온도 범위(대략 60~70℃)로서 예열된 상태를 유지하게 된다. 또한, 하우징(60)의 제1 주입구(61a)를 통해 이 하우징(60)의 내부 공간으로 주입되는 연료와, 제2 주입구(61b)를 통해 하우징(60)의 내부 공간으로 주입되는 공기는 연료전지 본체(20)의 쿨링 통로(51)를 통과하면서 이 쿨링 통로(51)에 형성된 산화 촉매(80)에 의해 산화 반응을 일으키게 된다. 이로써, 연료전지 본체(20)에서는 산화 촉매(80)에 의한 연료와 산소의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위(대략 150~200℃)의 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지는 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(11)에 제공되면서 전체 스택(10)을 이의 고유한 운전 온도 범위로서 예열시키게 된다.

한편, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)은 하우징(60)에 설치되어 이 하우징(60)의 내부 공간으로 냉각 공기를 공급하는 팬(90)이 제공되는 바, 이 팬(90)은 본 시스템(100)의 정상 구동시, 연료전지 본체(20)의 쿨링 통로(51)에 냉각 공기를 제공하여 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(11)에서 과도하게 발생하는 열 즉, 스택(10)의 고유한 운전 온도 범위를 초과하는 열을 냉각시키는 기능을 하게 된다. 이러한 팬(90)은 대기 중의 공기를 흡입하고, 이 공기를 하우징(60)의 내부 공간으로 공급할 수 있는 통상적인 구조의 팬(fan)으로서 구비된다.

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

우선, 시스템(100)의 초기 기동시, 연료 탱크(41)에 저장된 연료는 개질기(30)로 공급된다. 그러면, 개질기(30)에서는 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위 의 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 연료의 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키게 된다.

이 과정에서, 하우징(60)의 내부 공간에 스택(10)과 개질기(30)가 내장되고 있기 때문에, 개질기(30)에서 발생하는 열 에너지는 스택(10)의 연료전지 본체(20)에 제공된다. 따라서, 연료전지 본체(20)의 쿨링 통로(51)에 형성된 산화 촉매(80)는 상기한 열 에너지를 제공받아 연료와 산소의 산화 반응을 일으킬 수 있는 고유한 반응 개시 온도 범위 예컨대, 60~70℃의 온도 범위를 유지하게 된다.

이 상태에서, 연료는 하우징(60)의 제1 주입구(61a)를 통해 이 하우징(60)의 내부 공간으로 주입되고, 이와 동시에 공기는 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 하우징(60)의 제2 주입구(61b)를 통해 이 하우징(60)의 내부 공간으로 주입된다.

따라서, 상기 연료와 공기는 하우징(60)의 내부 공간에서 연료전지 본체(20)의 쿨링 통로(51)로 유입되고, 이 쿨링 통로(51)에 형성된 산화 촉매(80)에 의해 산화 반응을 일으키게 된다. 이로써, 연료전지 본체(20)에서는 산화 촉매(80)에 의한 연료와 산소의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지는 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(11)에 제공되면서 전체 스택(10)을 이의 고유한 운전 온도 범위 예컨대, 150~200℃의 온도 범위로서 예열시키게 된다. 이 때, 산화 촉매(80)의 반응에 의해 발생되는 연료와 산소의 연소 가스는 하우징(60)의 배출구(61c)를 통해 이 하우징(60)의 외부로 배출되게 된다.

이와 같이 스택(10)이 고유한 운전 온도 범위로서 예열된 경우, 연료와 공기는 하우징(60)의 내부 공간으로 더 이상 주입되지 않게 된다.

이러한 과정을 거치면서, 본 시스템(100)의 정상적인 구동이 이루어지게 되는 바, 개질기(30)에서 발생하는 개질 가스는 스택(10)의 연료전지 본체(20)로 공급되고, 이와 동시에 공기는 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 연료전지 본체(20)로 공급된다. 그러면, 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(11)에서는 MEA(13)에 의한 개질 가스, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.

이러는 도중, 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(11)에서는 MEA(13)에 의한 산소의 환원 반응에 의하여 열이 발생하게 되는 바, 냉각 공기는 팬(90)의 가동에 의하여 하우징(60)의 내부 공간으로 주입된다. 그러면, 냉각 공기는 하우징(60)의 내부 공간에서 연료전지 본체(20)의 쿨링 통로(51)를 통과하면서 각 전기 발생부(11)에서 과도하게 발생되는 열을 방열시키게 된다. 따라서, 연료전지 본체(20)는 스택(10)의 고유한 운전 온도 범위를 유지하게 된다. 이 때, 연료전지 본체(20)의 쿨링 통로(51)를 통과한 냉각 공기 즉, 전기 발생부들(11)에서 발생되는 열을 냉각시키면서 데워진 공기는 하우징(60)의 배출구(61c)를 통해 이 하우징(60)의 외부로 배출되게 된다.

도 4는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 결합 평면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 스택(110)은, 전기 실시예에서와 같은 구조를 기본으로 하면서, 서로 이웃하는 전기 발생부들(111) 사이에 쿨링 플레이트(153)를 설치하고, 이 쿨링 플레이트(153)에 냉각 공기를 유통시키기 위한 복수의 쿨링 통로(153a)를 형성하는 연료전지 본체(120)를 구성할 수 있다.

본 실시예에서, 쿨링 플레이트(153)는 연료전지 본체(120)의 서로 이웃하는 전기 발생부들(111)에 대해 상호 대향하게 밀착되는 세퍼레이터(115a, 115b)의 밀착면 즉, MEA(113)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착되는 밀착면의 반대면(편평한 면) 사이에 개재되어 설치되고 있다. 이 때, 쿨링 통로(153a)는 쿨링 플레이트(153)의 상단부에서 하단부를 관통하는 직선 형태로 형성될 수 있다.

이에 더하여, 쿨링 통로(153a)의 표면에는 전기 실시예에서와 같은 산화 촉매(180)를 형성하고 있다. 이러한 산화 촉매(180)는 쿨링 통로(153a)의 표면에 코팅되게 형성된다.

여기서, 쿨링 플레이트(153)는 시스템의 초기 기동시, 산화 촉매(180)에 의한 연료와 산소의 산화 반응을 통해 발생되는 열 에너지를 각 전기 발생부(111)의 세퍼레이터(115a, 115b)로 전달하는 열전달판, 및 시스템의 정상 구동시 전기 발생부들(111)에서 발생되는 열 에너지를 세퍼레이터(115a, 115b)를 통해 제공받아 냉각 공기에 의해 열 에너지를 방출시키는 방열판으로서 기능을 하게 된다. 이 때, 쿨링 플레이트(153)는 열전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 철 소재 등으로 형성될 수 있다.

본 실시예에 의한 연료 전지 스택(110)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예에서와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

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, 연료전지 본체의 쿨링 채널에 산화 촉매를 형성함에 따라, 빠른 시간 내에 스택을 고유한 운전 온도 범위로서 예열시킬 수 있으므로, 시스템의 초기 기동 시간을 단축시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 시스템의 작용시 스택의 쿨링 및 히팅을 겸할 수 있으므로, 스택의 냉각 효율 및 성능 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 종래와 달리 예열장치를 설치하기 위한 별도의 설치 공간이 필요치 않으므로, 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 종래와 달리 스택을 예열시키기 위한 전력 소모량을 줄일 수 있으므로, 전체 시스템의 성능 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

1. 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 전기 발생부들의 집합체 구조로서 이루어지는 연료전지 본체

   를 포함하며,

   상기 연료전지 본체는, 상기 전기 발생부들 사이에 형성되어 소정의 냉각 매체를 통과시키는 쿨링 통로와, 상기 쿨링 통로에 형성되어 연료의 산화 반응에 의해 열 에너지를 발생시키는 산화 촉매를 포함하는 연료 전지 스택.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 산화 촉매가 상기 쿨링 통로의 표면에 코팅되게 형성되는 연료 전지 스택.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 쿨링 통로는,

   서로 이웃하는 상기 전기 발생부들에 대하여 상호 대향하게 밀착되는 상기 각 세퍼레이터에 채널 형태로서 형성되어 상기 두 채널이 합쳐져 하나의 통로로서 이루어지는 연료 전지 스택.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 연료전지 본체는,

   상기 쿨링 통로 및 상기 산화 촉매를 가지면서 서로 이웃하는 상기 전기 발생부들 사이에 개재되는 쿨링 플레이트를 포함하는 연료 전지 스택.
5. 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택;

   연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 상기 스택으로 공급하는 개질기; 및

   상기 스택과 개질기를 내장시키는 하우징

   를 포함하며,

   상기 스택은,

   막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 복수의 전기 발생부들과, 상기 전기 발생부들 사이에 형성되어 소정의 냉각 매체를 통과시키는 쿨링 통로와, 상기 쿨링 통로에 형성되어 연료의 산화 반응에 의해 열 에너지를 발생시키는 산화 촉매를 포함하는 연료 전지 시스템.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 산화 촉매는 상기 쿨링 통로의 표면에 코팅되게 형성되는 연료 전지 시스템.
7. 제5 항에 있어서,

   상기 연료를 상기 개질기 및 상기 하우징의 내부 공간으로 공급하기 위한 연료 공급원과,

   공기를 상기 스택 및 상기 하우징의 내부 공간으로 공급하기 위한 공기 공급원

   을 포함하는 연료 전지 시스템.
8. 제5 항에 있어서,

   상기 하우징에 설치되어 상기 냉각 매체를 상기 하우징의 내부 공간으로 송풍시키는 팬을 포함하는 연료 전지 시스템.
9. 제5 항에 있어서,

   상기 쿨링 통로는,

   서로 이웃하는 상기 전기 발생부들에 대하여 상호 대향하게 밀착되는 상기 각 세퍼레이터에 채널 형태로서 형성되어 상기 두 채널이 합쳐져 하나의 통로로서 이루어지는 연료 전지 시스템.
10. 제5 항에 있어서,

    상기 스택은,

    상기 쿨링 통로 및 상기 산화 촉매를 가지면서 서로 이웃하는 상기 전기 발생부들 사이에 개재되는 쿨링 플레이트를 포함하는 연료 전지 시스템.

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