KR20090028021A - 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20090028021A
KR20090028021A KR1020070093277A KR20070093277A KR20090028021A KR 20090028021 A KR20090028021 A KR 20090028021A KR 1020070093277 A KR1020070093277 A KR 1020070093277A KR 20070093277 A KR20070093277 A KR 20070093277A KR 20090028021 A KR20090028021 A KR 20090028021A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
fuel cell
intermediate plate
inlet
supply
Prior art date
Application number
KR1020070093277A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100908973B1 (ko
Inventor
손인혁
서동명
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020070093277A priority Critical patent/KR100908973B1/ko
Priority to US12/230,789 priority patent/US8211582B2/en
Publication of KR20090028021A publication Critical patent/KR20090028021A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100908973B1 publication Critical patent/KR100908973B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2418—Grouping by arranging unit cells in a plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2455—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with liquid, solid or electrolyte-charged reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 외부로부터 공급되는 연료와 공기의 반응에 의하여 전기를 생성하는 다수의 전기생성유닛에 전체적으로 균일하게 연료가 공급될 수 있도록 하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지, 균일한 연료공급, 중간판,

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 외부로부터 공급되는 연료와 공기의 반응에 의하여 전기를 생성하는 다수의 전기생성유닛에 전체적으로 균일하게 연료가 공급될 수 있도록 하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료전지는 대표적으로 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : 이하 'PEMFC'라 한다.) 시스템과 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : 이하 'DMFC'라 한다) 시스템을 들 수 있다.
일반적으로 PEMFC 시스템은 수소와 산소의 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택과 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기를 포함하여 구성된다. 이러한 PEMFC 시스템은 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하게 된다.
이에 비하여 DMFC 시스템은 스택에 직접 메탄올 연료와 산화제인 산소를 공급하여 전기화학반응에 의해 전기를 생성하게 된다. 이러한 DMFC 시스템은 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올 등 액체연료를 직접 사용하기 때문에 연료개질기(reformer) 등 부대 설비가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.
이러한 DMFC 시스템에 있어서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: 이하 'MEA'라 한다)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate))로 이루어진 단위셀이 한 개 또는 한 개 이상이 적층된 구조를 가진다. 상기 MEA는 애노드 전극(anode electrode)과 캐소드 전극(cathode electrode) 사이에 전해질막(membrane)이 개재되어 형성된다. 또한, 각 애노드 전극과 캐소드 전극의 구조는 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층, 그리고 전극 지지체를 구비하여 이루어진다.
상기 DMFC 시스템은 전기생성 유닛의 배치구조와 공기의 공급방식에 따라 다양하게 형성될 수 있으며, 그 중에 하나의 형태가 전기생성 유닛이 여러 개의 단위셀이 평면적으로 배치되어 형성되는 모노폴라(monopolar) 타입이다. 상기 모노폴라 타입은 공기를 공급하는데 펌프를 사용하지 않으므로 패시브 또는 세미패시브형으로 불리기도 한다.
상기 모노폴라 타입의 연료전지 시스템은 판상으로 형성되며 외부로부터 공 급되는 연료와 공기의 반응에 의하여 전기를 생성하는 다수의 단위셀이 평면적으로 배치되도록 형성된다. 상기 전기생성 유닛을 구성하는 다수의 단위셀은 공기가 공급되는 캐소드부와 연료가 공급되는 캐소드부를 각각 구비하여 이루어진다. 상기 캐소드 전극은 공기 중에 노출되어 공기가 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 공급되는 구조로 이루어진다. 또한, 상기 애노드부는 펌프에 의하여 연료가 공급되는 구조로 이루어진다.
상기 단위셀은 평면적으로 배치되므로 일측에 형성되는 단위셀부터 순차적으로 연료를 공급받게 된다. 따라서, 상기 단위셀은 배치되는 위치에 따라 공급되는 연료의 압력에 차이기 있게 되어 공급되는 연료의 양에 차이가 있게 된다. 또한, 상기 연료전지 시스템은 각 단위셀에서 생성되는 출력의 차이로 인하여 전체적으로 출력과 효율이 저하되는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 외부로부터 공급되는 연료와 공기의 반응에 의하여 전기를 생성하는 다수의 전기생성유닛에 전체적으로 균일하게 연료가 공급될 수 있도록 하는 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템은 다수의 단위영역을 구비하며, 상기 단위영역들에 각각 형성되어 연료를 공급하는 유입구들과, 상기 단위영역에 각각 형성되어 연료를 배출하는 유출구들과, 상기 유입구들과 연결되는 공급통로와, 상기 유출구들과 연결되는 배출통로와, 상기 공급통로와 연결되며 외부로부터 연료가 공급되는 공급구와, 상기 배출통로와 연결되며 외부로 연료가 배출되는 배출구를 포함하는 구비하는 중간판 및 상기 단위영역에 안착되어 공급되는 연료와 공기의 반응에 의하여 전기를 생성하는 전기생성유닛을 구비하는 연료전지 본체를 포함하며, 상기 유입구들은 상기 공급구로부터 거리가 멀어질 수 록 그 면적이 점차 감소되도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 중간판은 상기 단위영역이 각각 형성되는 제1면 및 제2면과, 상기 공급구가 형성되는 제3면과, 상기 배출구가 형성되는 제4면을 구비하는 판상으로 형성되며, 상기 단위영역은 홈 형상의 결합홈으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 유입구들은 상기 중간판의 내부로 연장되는 방향에 수직인 단면의 형상이 직사각형상으로 형성되며, 상기 공급구로부터 먼 위치에 형성될수록 직사각형의 면적이 작게되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 유입구들의 높이는 동일하게 형성되며, 상기 유입구들의 폭은 상기 공급구로부터 거리가 멀어짐에 따라 점차로 작아지도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 유입구는 상기 결합홈 하부의 바닥면에서 상기 공급구가 형성되는 제3면측에서 상기 공급통로와 연결되도록 상기 중간판의 내부로 연장되어 형성되며, 상기 유출구는 상기 결합홈 상부의 바닥면에서 상기 배출구가 형성되는 제4면측에서 상기 배출통로와 연결되도록 상기 중간판의 내부로 연장되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 유출구들은 상기 중간판의 내부로 연장되는 방향에 수직인 방향으로 형성되는 단면이 직사각형 형상으로 이루어지며, 상기 유출구들은 전체적으로 동일한 면적으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 유출구들의 높이는 상기 유입구들의 높이와 동일하고, 상기 유출구들의 폭은 유입구들의 폭의 평균과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 공급통로는 상기 중간판 하부의 내부에서 상기 제1면과 평행하게 형성되며, 상기 배출통로는 상기 중간판 상부의 내부에서 상기 제1면과 평행하게 형성될 수 있다. 또한, 상기 공급구는 상기 제3면에서 하부에 형성되며, 상기 배출구는 제4면에서 상부에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 전기생성 유닛은 상기 단위영역에 밀착되게 배치되는 연료 유로가 형성되는 애노드부와, 상기 애노드부에 밀착되게 배치되는 막-전극 어셈블리 및 공기를 유통시키기 위한 공기유로가 구비되며, 상기 막-전극 어셈블리 에 밀착되는 캐소드부를 포함하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 애노드부는 상기 단위영역에 대응되는 판상으로 형성되며, 상기 유입구에서 공급되는 연료를 유통시키기 위한 연료 유로가 지그재그 형상으로 형성되고, 상기 캐소드부는 상기 단위영역에 대응되는 판상으로 형성되며, 복수의 통기공으로 형성되는 공기유로가 형성되며, 상기 애노드부의 연료 유로는 일단이 상기 단위영역에서 상기 유입구가 형성되는 영역에 위치하게 되며, 타단이 상기 단위영역에서 상기 유출구가 형성되는 영역에 위치되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 상기 연료전지 본체를 전체적으로 감싸며, 상기 캐소드부에 대응되는 영역에 공기홀이 형성되는 케이스와 상기 중간판에 연료를 공급하는 연료펌프와 연료탱크를 더 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 다수의 단위영역을 구비하며, 상기 단위영역들에 각각 형성되어 연료를 공급하는 유입구들, 상기 단위영역에 각각 형성되어 연료를 배출하는 유출구들, 상기 유입구들과 연결되는 공급통로, 상기 유출구들과 연결되는 배출통로, 상기 공급통로와 연결되며 외부로부터 연료가 공급되는 공급구와 상기 배출통로와 연결되며 외부로 연료가 배출되는 배출구를 구비하는 중간판 및 상기 단위영역에 안착되어 공급되는 연료와 공기의 반응에 의하여 전기를 생성하는 전기생성유닛을 구비하는 연료전지 본체를 포함하며, 상기 공급통로는 상기 중간판 하부의 내부에서 상기 공급구로부터 거리가 멀어짐에 따라 점차 수직 단면적이 감소되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 중간판은 상기 단위영역이 각각 형성되는 제1면 및 제2면과, 상기 공급구가 형성되는 제3면과, 상기 배출구가 형성되 는 제4면을 구비하는 판상으로 형성되며, 상기 단위영역은 홈 형상의 결합홈으로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 공급통로는 단면의 형상이 사각형 또는 원형인 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 배출통로는 상기 중간판 상부의 내부에서 상기 중간판의 제1면과 평행하게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 유입구는 상기 결합홈 하부의 바닥면에서 상기 공급구가 형성되는 제3면측에서 상기 공급통로와 연결되도록 상기 중간판의 내부로 연장되어 형성되며, 상기 유출구는 상기 결합홈 상부의 바닥면에서 상기 배출구가 형성되는 제4면측에서 상기 배출통로와 연결되도록 상기 중간판의 내부로 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 공급구는 상기 중간판의 제3면에서 하부에 형성되며, 상기 배출구는 상기 중간판의 제4면에서 상부에 형성될 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템에 따르면 중간판에서 전기생성 유닛이 배치되는 위치에 관계없이 전체적으로 균일하게 연료가 공급되므로 전체적으로 균일하게 전기를 생성하게 되어 성능과 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 각 전기생성 유닛에서 균일하게 전기 생성 반응이 진행되므로 연료전지 시스템의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
이하에서 실시예와 첨부한 도면을 통하여 본 발명의 연료전지 시스템에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은, 도 1 내지 도 6을 참조하면, 연료전지 본체(110)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 연료전지 시스템은 연료전지 본체(110)를 전체적으로 감싸는 케이스(140)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 연료전지 시스템(100)은 연료탱크(180)와 연료탱크(190)를 더 포함하여 형성될 수 있다.
상기 연료전지 시스템(100)은 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올계 연료와 공기를 직접적으로 제공받아 연료 중에 함유된 수소의 산화 반응과 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로서 구성될 수 있다.
또한, 상기 연료전지 시스템(100)은 연료펌프와 연료탱크에 의해 연료를 공급받고, 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 대기 중의 공기를 제공받아 전기 에너지를 발생시키는 세미 패시브타입으로 이루어진다.
상기 연료전지 본체(110)는 중간판(120)과, 중간판(120)을 중심에 두고 양측에 서로 대응하게 형성되는 복수의 전기생성유닛(130)을 포함하여 형성된다. 상기 연료전지 본체(110)는 외부로부터 중간판(120)을 통하여 공급되는 연료와 자연대류에 의하여 공급되는 공기에 의하여 전기생성 유닛(130)에서 진행되는 화학반응으로 전기 에너지를 생성하게 된다.
상기 중간판(120)은 복수의 단위영역(121)과 유입구(122, 122a, 122b, 122c, 122d, 122e)들과 유출구(123)들과, 공급통로(124)와, 배출통로(125)와, 공급구(126) 및 배출구(127)를 포함하여 형성된다. 상기 중간판(120)은 전기가 통하지 않는 절연성을 갖는 재질에 의하여 대략 판상으로 형성된다. 상기 중간판(120)은 전기생성유닛(130)의 수에 따라 그 크기가 결정된다.
상기 중간판(120)은 장변 방향의 길이가 단변 방향의 길이 보다 긴 대략 직사각형의 형상으로 이루어진다. 상기 중간판(120)은 제1면(120a)과 제2면(120b)과 제3면(120c)과 제4면(120d)과 제5면(120e) 및 제6면(120f)을 구비한다. 상기 제1면(120a)과 제2면(120b)은 전기생성 유닛(130)이 배치되는 중간판(120)의 전면과 후면을 의미한다. 또한, 상기 제3면(120c)과 제4면(120d)은 공급구(126)와 배출구(127)가 형성되는 중간판(120)의 일측면과 타측면을 각각 의미한다. 또한, 상기 제5면(120e)과 제6면(120f)은 중간판(120)의 상면과 하면을 의미한다. 상기 중간판(120)은 제1면(120a)과 제2면(120b)에 배치되는 전기생성유닛(130)을 지지하면서 전기적으로 분리시키는 이른바 세퍼레이터로서의 기능을 동시에 하게 된다. 또한, 상기 중간판(120)은 제3면(120c)과 제4면(120)을 통하여 공급되는 연료를 전기생성유닛(130)에 공급하는 기능을 하게 된다.
상기 단위영역(121)은 중간판(120)의 장변방향을 따라 제1면(120a)과 제2면(120b)에 일정 간격으로 구획되어 형성된다. 상기 단위영역은 제1면(120a)과 제2면(120b)에 홈 형상의 결합홈(121a)으로 형성된다. 상기 단위영역(121)은 결합홈(121a)의 주위 영역에 돌출되는 돌출부(121b)에 의하여 다른 단위영역들과 구분되어 형성된다. 또한, 상기 결합홈(121a)은 단자홈(121c)이 중간판(120)의 상부 또는 하부에 형성된다. 상기 결합홈(121a)은 전기생성유닛(130)의 면적에 상응하는 면적으로 형성되어 전기생성유닛(130)이 결합된다. 따라서, 상기 단위영역(121)은 전기생성유닛(130)으로 공급되는 연료와 공기의 반응에 의하여 실질적으로 반응이 일어나는 활성영역으로 형성된다.
상기 결합홈(121a)은 중간판(120)의 제1면(120a)과 제2면(120b)으로부터 소정 깊이로 형성된다. 상기 결합홈(121)은 바람직하게는 결합홈(121a)에 결합되는 전기생성유닛(130)의 애노드부(131) 두께에 상응하는 깊이 또는 애노드부(131)의 두께보다 깊은 깊이로 형성된다. 상기 애노드부(131)는 이하에서 상세히 설명한다.
상기 결합홈(121a)은 바닥면에 유입구(122)와 유출구(123)가 형성된다. 상기 유입구(122)와 유출구(123)는 공급되는 연료가 전기생성유닛(130)에서 전체적으로 흐른 후에 외부로 유출되도록 서로 이격되는 위치에 형성된다. 상기 유입구(122)와 유출구(123)는 바람직하게는 결합홈(121a)내에서 서로 대각선 방향에 위치되도록 형성된다.
상기 유입구(122)들은 바람직하게는 연료전지(100)가 실제로 사용되는 조건에서 결합홈(121a)의 하부에 위치하게 된다. 따라서, 상기 유입구(122)들로 유입되는 미반응 연료는 결합홈(121a)의 하부로부터 상승하면서 반응한 후에 유출구들을 통하여 배출된다. 따라서, 상기 유입구(122)는 연료의 사용효율을 증가시키게 된다.
상기 유입구(122)들은 결합홈(121a)의 하부에서 공급구(126)가 형성되는 제3면(120c)측에 형성된다. 따라서, 상기 유입구(122)들은 공급구(126)로부터 공급되는 연료가 보다 원활하게 결합홈(121a)으로 유입될 수 있도록 한다.
상기 유입구(122)들은 결합홈(121a)내에서 중간판(120)의 내부로 연장되어 공급통로(124)와 연결된다. 상기 유입구(122)들은 중간판(120)의 내부로 연장되는 방향에 수직으로 형성되는 수직 단면의 형상이 직사각형상으로 형성된다. 상기 유입구(122)들은 높이(h)가 폭(w)보다 큰 형상으로 형성된다. 따라서, 상기 유입구(122)들은 애노드부(131)에 연료 유로가 더 많이 형성될 수 있도록 한다.
상기 유입구(122)들은 바람직하게는 제3면(120c) 즉, 공급구(126)로부터 먼 위치에 형성될수록 그 면적이 감소되도록 형성된다. 여기서 상기 유입구(122)들의 면적은 중간판(120)의 내부로 연장되는 방향에 수직으로 형성되는 수직 단면인 직사각형상의 면적을 의미한다. 상기 유입구(122)들은 공급구(126)에 가까운 위치에 형성된 유입구(122a)의 면적이 공급구(126)에서 먼 위치에 형성된 유입구(122e)의 면적보다 크게 되도록 형성된다. 따라서, 상기 유입구(122)들은 유입구(122a)로부터 유입구(122b), 유입구(122c), 유입구(122d), 유입구(122e)로 갈수록 점점 작은 면적으로 형성된다. 이때, 상기 유입구(122)들은 바람직하게는 유입구(122a)로부터 유입구(122b), 유입구(122c), 유입구(122d), 유입구(122e)로 갈수록 그 폭(w)이 작게 되도록 형성된다. 상기 유입구(122)들은 그 높이(h)는 동일하게 형성된다. 상기 유입구(122)들의 높이가 동일하게 형성되는 경우에, 결합홈(121)에 결합되는 애노드부(131)는 연료 유로가 전체적으로 동일하게 형성될 수 있다.
상기 유입구(122)들 사이의 면적 비율 즉, 유입구(122)들 사이의 높이 비율은 공급구(126)로부터 공급되는 연료의 양과 속도 및 압력, 공급통로(124)의 크기, 결합홈(121a)의 크기 등을 고려하여 적정하게 형성될 수 있다. 상기 유입구(122)들에 공급되는 연료의 양이 작게 되면, 공급구(126)로부터 먼 위치에 형성되는 유입 구(122e)로 공급되는 연료의 양이 상대적으로 적게 된다. 따라서, 상기 유입구(122)들의 면적 차이는 상대적으로 작게 된다. 즉, 상기 공급구(126)로부터 먼 위치에 형성되는 유입구(122e)의 크기는 공급구에 근접한 유입구(122a)와 그 면적에 있어서 유사하게 형성될 수 있다. 또한, 상기 유입구(122)들에 공급되는 연료의 속도가 크게 되면, 공급구(126)로부터 먼 위치에 형성되는 유입구(122e)에 공급되는 연료의 양이 상대적으로 많게 된다. 따라서, 상기 공급구(126)로부터 먼 위치에 형성되는 유입구(122e)는 그 면적이 공급구(126)에 근접한 유입구(122a)보다 그 면적이 상대적으로 작게 형성될 수 있다. 또한, 상기 유입구(122)들은 공급되는 연료의 압력, 공급통로(124)의 크기, 결합홈(121a)의 크기에 따라 상기와 같이 적정한 면적을 갖도록 형성된다. 따라서, 상기 유입구(122)들은 전체적으로 균일한 양의 연료가 결합홈(121a)으로 공급하게 된다.
상기 유출구(123)들은 결합홈(121a)의 상부에서 제4면(120d)측에 형성된다. 상기 유출구(123)들은 결합홈(121a)의 바닥면에서 중간판(120)의 내부로 연장되어 배출통로와 연결된다. 상기 유출구(123)들은 결합홈(121a)에서 전기 생성 반응에 사용된 연료들을 결합홈(121a)의 외부로 유출시키게 된다.
상기 유출구(123)들은 중간판(120)의 내부로 연장되는 방향에 수직으로 형성되는 수직 단면의 형상이 직사각형상으로 형성된다. 또한, 상기 유출구(123)들은 면적이 형성위치에 관계없이 동일하도록 형성된다. 여기서, 상기 유출구(123)들의 면적은 중간판(120)의 내부로 연장되는 방향에 수직으로 형성되는 수직 단면인 직사각형상의 면적을 의미한다. 상기 유출구(123)들의 높이는 유입구(122)의 높이와 동일하게 형성된다. 또한, 상기 유출구(123)들의 폭은 유입구(122)의 높이와 동일하게 형성된다. 이때, 상기 유출구(123)들은 유입구(122)들의 폭의 평균에 대응되도록 폭으로 형성된다. 상기 유출구(123)들이 유입구(122)들의 폭의 평균으로 형성되는 경우에 유출구(123)들의 전체 면적과 유입구(122)들의 전체 면적은 동일하게 형성된다. 이러한 경우에, 상기 유출구(123)로부터 유출되는 연료의 양은 유입구(122)로부터 유입되는 연료의 양과 동일하게 된다. 따라서, 상기 중간판(120)은 연료가 결합홈(121a)으로 원활하게 유입되고 유출될 수 있다.
상기 공급통로(124)는 중간판(120) 하부의 내부에서 제1면(120a)과 평행하게 제3면(120c)으로부터 제4면(120d)측 방향으로 형성된다. 상기 공급통로(124)는 단면이 원형 또는 사각형상인 관 형상으로 형성된다. 상기 공급통로(124)는 결합홈(121a)의 하부에 형성되는 유입구(122)들과 전체적으로 연결되도록 형성된다. 상기 공급통로(124)는 일측이 제3면(120c)으로 개방되며, 타측이 밀폐되어 형성된다. 따라서, 상기 공급통로(124)는 외부로부터 공급되는 미반응 연료를 유입구(122)를 통하여 결합홈(121a)의 하부로 순차적으로 공급하게 된다.
상기 배출통로(125)는 중간판(120) 상부의 내부에서 제1면(120a)과 평행하게 제4면(120d)으로부터 제3면(120c)측 방향으로 형성된다. 상기 배출통로(125)는 단면이 원형 또는 사각형상인 관 형상으로 형성된다. 상기 배출통로(125)는 결합홈(121a)의 상부에 형성되는 유출구(123)들과 전체적으로 연결되도록 형성된다. 상기 배출통로(124)는 일측이 밀폐되며, 타측이 제4면(120d)으로 개방되어 형성된다. 따라서, 상기 배출통로(125)는 결합홈(121a)에서 유입구(122)를 통하여 유출되는 연료를 중간판(120)의 외부로 배출하게 된다.
한편, 상기 공급통로(124)와 배출통로(125)는 각각의 절반 부분에 상응하는 홈이 형성된 두 개의 독립된 판상이 중간판(120)으로 결합되면서 형성될 수 있다. 또한, 상기 공급통로(124)와 배출통로(125)는 일체로 형성된 중간판의 각 측면으로부터 내부로 홈을 가공하여 형성할 수 있다.
상기 공급구(126)는 중간판(120)의 제3면(120c) 하부에 공급통로(124)와 연결되도록 형성된다. 상기 공급구(126)는 공급통로(124)와 일체로 형성될 수 있다. 상기 공급구(126)는 연료펌프(190)와 연결되며 미반응 연료를 공급통로(124)로 공급하게 된다.
상기 배출구(127)는 중간판(120)의 제4면(120d) 상부에 배출통로(125)와 연결되도록 형성된다. 상기 배출구(127)는 배출통로(125)와 일체로 형성될 수 있다. 상기 배출구(127)는 별도의 혼합탱크로 연결되며 배출통로(125)로부터 배출되는 연료를 중간판(120)의 외부로 배출하게 된다.
상기 전기생성 유닛(130)은 애노드부(131)와 애노드부(131)에 각각 밀착되게 배치되는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)(이하에서는, "MEA" 라고 한다.)(135)와 MEA(135)에 각각 밀착되게 배치되는 캐소드부(137)를 포함하여 구성된다. 상기 애노드부(131)와 막-전극 어셈블리(135) 및 캐소드부(137)는 하나의 단위셀을 형성하게 된다. 상기 전기생성유닛(130)은 공급되는 연료와 공기의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 다수의 단위셀로서 구비된다. 상기 전기생성 유닛(130)은 중간판(120)의 제1면(120a)과 제2면(120b)에 형성되는 각 단위영역(121) 에 배치된다.
상기 애노드부(131)는 애노드집전판(131a)과 애노드전극단자(131b) 를 포함하여 형성되며, 단위영역에 밀착되게 배치된다. 상기 애노드부(131)는 공급되는 미반응 연료가 결합홈(121a)의 내부에서 전체적으로 흐를 수 있도록 가이드 역할을 하게 된다. 또한, 상기 애노드부(131)는 제1전극층(135a)에 의해 연료에 함유된 수소로부터 분리된 전자를 이웃하는 전기 생성 유닛(130)의 캐소드부(137)로 이동시키는 전도체로서의 기능을 하게 된다.
상기 애노드집전판(131a)은 플레이트 형태로 이루어지며, 전기전도성이 좋은 금, 은, 구리와 같은 금속 또는 일반 금속의 표면에 금, 은, 구리와 같은 금속이 도금되어 형성될 수 있다. 상기 애노드집전판(131a)은 연료를 유통시키기 위한 연료 유로(132)를 구비하여 형성된다. 상기 애노드집전판(131a)은 중간판(120)의 양측면에서 단위 영역(121)의 결합홈(121a)에 밀착되어 결합된다. 또한, 상기 애노드집전판(131a)은 MEA(135)의 제1전극층(135a)과 상호 밀착된다.
상기 연료 유로(132)는 애노드집전판(131a)의 플레이트를 소정 폭으로 관통하며, 전체적으로 지그재그 형상 또는 사행의 형상으로 형성되는 다수의 유로가 서로 균일한 간격으로 배치되어 형성된다. 즉, 상기 연료 유로(132)는 다수의 유로가 임의의 간격을 두고 서로 평행하게 배치되며, 전체적으로 지그재그 형상 또는 사행(蛇行: meander)의 형상으로 형성된다. 다만, 상기 연료 유로(132)는 전체적으로 다양한 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다. 상기 연료 유로는 일단이 유입구(122)가 형성되는 영역에 위치되며, 타단이 유출구(123)가 형성되는 영역에 배치 된다. 즉, 상기 연료 유로(132)는 유입구(122)와 유출구(123)를 연결하는 복수의 경로로서 형성된다. 따라서, 상기 연료 유로(132)는 중간판(120)의 공급통로(124)와 유입구(122)를 통하여 공급되는 연료를 MEA(135)의 제1전극층(135a)으로 공급하게된다.
상기 애노드전극단자(131b)는 중간판(120)의 단자홈(121c)에 삽입되어 지지되면서 중간판(120)의 외측으로 돌출된다. 상기 애노드전극단자(131b)는 별도의 도선 등을 통해 이웃하는 전기생성유닛(130)의 캐소드부(137)와 전기적으로 연결된다.
상기 애노드전극단자(131b)는 애노드집전판(131a)과 일체로서 형성되며, 중간판(120)의 상부측면 또는 하부 측면방향으로 연장되어 돌출되도록 형성된다. 상기 애노드전극단자(131b)는 별도의 연결단자(도면에 도시하지 않음)에 의하여 캐소드전극단자(137b)와 전기적으로 연결된다.
상기 MEA(135)는 제1전극층(135a)과 전해질막(135c) 및 제2전극층(135b)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 상기 제1전극층(135a)은 연료에 함유된 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키는 애노드전극층으로 형성될 수 있으며, 전해질막(135c)은 수소 이온을 제2전극층(135b)으로 이동시키고, 제2전극층(135b)은 제1전극층(135a)으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 산소를 반응시켜 수분, 및 열을 발생시키는 캐소드전극층으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 MEA(135)는 애노드부(131) 및 캐소드부(137)에 상응하는 크기로서 형성되며, 이의 가장자리 부분에 통상적인 가스켓(도면에 도시되지 않음)을 구비할 수도 있다. 상기 MEA(135)는 제1전극층(135a)이 애노드부(131)에 밀착되도록 중간판(120)의 단위영역(121)에 배치된다. 상기 MEA(135)는 직접 메탄올 연료전지에 사용되는 일반적인 구조로 형성될 수 있으며 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 캐소드부(137)는 캐소드집전판(137a)과 캐소드전극단자(137b)를 포함하여 형성된다. 상기 캐소드부(137)는 MEA(135)의 제2전극층(135b)과 상호 밀착되게 배치되며, 공기의 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 대기 중의 공기를 유통시켜, MEA(135)로 분산 공급하게된다. 상기 캐소드부(137)는 애노드부(131) 또는 MEA(135)에 상응하는 크기로서 형성된다. 또한, 상기 캐소드부(137)는 중간판(120)의 동일 면에서 서로 이웃하는 전기생성유닛(130)의 애노드부(131)와 전기적으로 연결되어 전자를 받는 전도체로서의 기능을 하게 된다.
상기 캐소드집전판(137a)은 전기 전도성을 지닌 금속 플레이트로 이루어지며, 공기를 유통시키기 위한 공기유로(138)를 구비하여 형성된다. 상기 캐소드집전판(137a)은 전기전도성이 우수한 금, 은, 구리와 같은 금속으로 형성될 수 있으며, 일반 금속의 표면에 전기전도성이 우수한 금, 은, 구리와 같은 금속이 도금되어 형성될 수 있다.
상기 공기유로(138)는 공기의 효과적인 분산 공급과 캐소드집전판의 강도유지를 위하여 캐소드집전판(137a)의 플레이트를 관통하는 원형 또는 다각형 형상의 홀로 형성된다.
상기 캐소드전극단자(137b)는 캐소드집전판(137a)과 일체로서 형성되며, 중간판(120)의 상부측면 또는 하부 측면방향으로 연장되어 돌출되도록 형성된다. 상 기 캐소드전극단자(137b)는 별도의 연결단자에 의하여 애노드전극단자(131b)와 전기적으로 연결된다.
상기 지지판(139)은 판상으로 형성되며, 캐소드부(137)와 접촉되면서 전기생성 유닛(130)을 중간판(120)측으로 밀착시키게 된다. 상기 지지판(139)은 개구부(139a)와 단자홈(139b)을 포함하여 형성된다. 상기 개구부(139a)는 전기생성 유닛(130)이 형성되는 영역에 대응되는 영역에서 형성되며, 캐소드집전판(173a)에서 공기유로(138)가 형성되는 영역의 면적에 상응하는 면적을 갖도록 형성된다. 상기 단자홈(139b)은 개구부(139a)의 상부 또는 하부에 애노드전극단자(131a)와 캐소드 전극단자(137b)의 폭에 상응하는 크기의 홈 형상으로 형성되며, 애노드전극단자(131a)와 캐소드 전극단자(137b)가 결합된다.
상기 케이스(140)는 제1케이스(140a)와 제2케이스(140b)를 포함하며, 대략 박스 형상으로 형성된다. 또한, 상기 케이스(140)는 공기홀(143a, 143b)과 지지돌기(144a)(제2케이스의 지지돌기는 도시하지 않음)를 포함하여 형성된다. 상기 케이스(140)는 연료전지 본체(110)를 내부에 수용하게된다. 상기 제1케이스와 제2케이스는 서로 대칭으로 형성된다.
상기 제1케이스(140a)와 제2케이스(140b)는 각각 내부가 중공이며 일측 또는 타측이 개방된 박스 형상으로 형성된다. 상기 제1케이스(140a)는 제2케이스(140b)와 상호 결착되어 내부에 공간을 형성하며, 연료전지 본체(110)를 수용하게 된다. 이때, 상기 제1케이스(140a)의 제1평판(141a)과 제2케이스(140b)의 제2평판(141b)이 내부에 수용되는 연료전지 본체(110)에 대향하게 된다.
상기 공기홀(143a, 143b)은 제1케이스(140a)의 제1평판(141a)과 제2케이스(140b)의 제2평판(141b)에 각각 형성된다. 상기 공기홀(143a, 143b)은 내부에 연료전지 본체(110)가 수용될 때 제1평판(141a)과 제2평판(141b)에서 전기생성유닛(130)이 위치하는 영역에 대응되는 영역에 형성된다. 상기 공기홀(143a, 143b)은 대기중의 공기가 내부로 유입되어 전기생성유닛(130)으로 공급될 수 있도록 한다. 상기 공기홀(143a, 143b)은 각각 제1평판(141a)과 제2평판(141b)을 관통하여 형성되며, 원형, 사각형 또는 육각형과 같은 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 공기홀(143a, 143b)은 복수 개로 형성되며, 서로 이격되어 홀 형상으로 형성된다.
상기 제1케이스(140a)의 지지돌기(144a)는 제1평판(141a)에서 공기홀(143a)이 형성된 영역을 제외한 영역에서 수직 방향으로 돌출되는 바 또는 반구 형상으로 형성된다. 또한, 상기 지지돌기(144a)는 케이스(140)와 연료전지 본체(110)사이의 거리에 상응하는 높이로 형성된다. 상기 지지돌기(144a)는 연료전지 본체(110)를 지지하는데 필요한 적정한 수로 형성되어 연료전지 본체(110)를 지지하게 된다. 보다 상세하게는 상기 지지돌기(144a)는 중간판(120)의 결합홈(121a) 주위에 형성되는 돌출부(121b)에 접촉되어 연료전지 본체(110)를 지지하게 된다. 상기 제2케이스(140b)에 형성되는 지지돌기는 도면에 도시되지 않았지만, 제1케이스(140a)의 지지돌기(144a)와 동일하게 형성된다.
상기 연료탱크(180)는 내부에 액체인 연료가 저장되는 공간을 구비하는 박스 형상으로 형성되며, 연료전지 본체(110)로 공급되는 연료가 저장된다. 상기 연료탱크(180)는 연료전지 본체(110)에서 필요로 하는 농도의 에탄올 또는 메탄올이 저장 된다. 상기 연료탱크(180)는 하나의 배관을 통하여 연료펌프(190)와 연결되어 저장되어 있는 연료를 연료전지 본체(110)의 공급통로로 공급하게 된다.
상기 연료펌프(190)는 하나의 배관을 통하여 연료전지 본체(110)와 연결되며, 다른 하나의 배관을 통하여 연료탱크(180)와 연결된다. 따라서, 상기 연료펌프(190)는 연료탱크(180)에 저장되어 있는 연료를 연료전지 본체(110)로 공급하게 된다. 상기 연료펌프(190)는 액체를 이송할 수 있는 다양한 펌프가 사용된다.
다음은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 중간판에 대한 정면도이다. 도 8은 도 7의 중간판을 분해한 분해 사시도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은 중간판(220)을 구비하는 연료전지 본체를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 연료전지 시스템은 중간판(220)의 양면에 배치되는 복수의 전기생성유닛(130)과 연료전지 본체를 전체적으로 감싸는 케이스(140)를 포함하여 형성되다. 또한, 상기 연료전지 시스템은 연료탱크(180)와 연료펌프(190)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은 도 1 내지 도 6에 따른 연료전지 시스템(100)과 중간판의 구조가 다르게 형성된다. 따라서, 이하에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템에서는 도 1 내지 도 6에 따른 연료전지 시스템(100)과 동일 또는 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하며, 상세한 설명을 생략한다. 그리고 이하의 설명에서는 중간판을 중심으로 설명한다.
상기 중간판(220)은 복수의 단위영역(121)과 유입구(222)들과 유출구(123)들과, 공급통로(224)와, 배출통로(125)와, 공급구(126) 및 배출구(127)를 포함하여 형성된다. 상기 중간판(220)은 전기가 통하지 않는 절연성을 갖는 재질에 의하여 대략 판상으로 형성된다. 상기 중간판(220)은 전기생성유닛(130)의 수에 따라 그 크기가 결정되며, 장변 방향의 길이가 단변 방향의 길이 보다 긴 대략 직사각형의 형상으로 이루어진다.
상기 중간판(220)은 장변 방향의 길이가 단변 방향의 길이 보다 긴 대략 직사각형의 형상으로 이루어진다. 상기 중간판(220)은 제1면(220a)과 제2면(220b)과 제3면(220c)과 제4면(220d)과 제5면(220e) 및 제6면(220f)을 구비한다.
상기 단위영역(121)은 중간판(220)의 장변방향을 따라 제1면(220a)과 제2면(220b)에 일정 간격으로 구획되어 형성된다. 상기 단위영역(121)은 제1면(220a)과 제2면(220b)에 홈 형상의 결합홈(121a)으로 형성된다. 상기 단위영역(121)은 결합홈(121a)의 주위 영역에 돌출되는 돌출부(121b)에 의하여 다른 단위영역들과 구분되어 형성된다. 또한, 상기 결합홈(121a)은 단자홈(121c)이 중간판(220)의 상부 또는 하부에 형성된다. 상기 결합홈(121a)은 바닥면에 유입구(222)와 유출구(123)가 형성된다.
상기 유입구(222)들은 단위영역(121)의 결합홈(121a)내에서 하부의 바닥면에 형성된다. 또한, 상기 유입구(22)들은 중간판(220)의 내부로 연장되어 공급통로(224)와 연결된다. 상기 유입구(222)들은 중간판(220)의 내부로 연장되는 방향에 수직으로 형성되는 수직 단면의 형상이 직사각형상으로 형성된다. 상기 유입 구(222)들은 높이가 폭보다 큰 형상으로 형성된다.
상기 유입구(222)들은 형성되는 위치에 관계없이 전체적으로 균일한 면적으로 형성된다. 여기서, 상기 유입구(222)들의 면적은 중간판(220)의 내부로 연장되는 방향에 수직으로 형성되는 수직 단면인 직사각형상의 면적을 의미한다. 즉, 상기 유입구(222)들은 그 폭과 높이가 동일하게 형성된다.
상기 유출구(123)들은 단위영역(121)의 결합홈(121a)내에서 상부의 바닥면에 형성된다. 또한, 상기 유출구(113)들은 중간판(220)의 내부로 연장되어 배출통로(125)와 연결된다. 상기 유출구(123)들은 유출구의 형상에 대응되는 형상으로 형성된다. 상기 유출구(123)들은 유입구들과 그 면적이 동일하게 형성된다.
상기 공급통로(224)는 중간판(220) 하부의 내부에서 제1면(220a)과 평행하게 제3면(220c)으로부터 제4면(220d)측 방향으로 형성된다. 상기 공급통로(224)는 단면이 원형 또는 사각형상인 관 형상으로 형성된다. 상기 공급통로(224)는 결합홈(121a)의 하부에 형성되는 유입구(222)들과 전체적으로 연결되도록 형성된다. 상기 공급통로(224)는 일측이 제3면(120c)으로 개방되며, 타측이 밀폐되어 형성된다. 따라서, 상기 공급통로(224)는 외부로부터 공급되는 미반응 연료를 유입구(122)를 통하여 결합홈(121a)의 하부로 순차적으로 공급하게 된다.
상기 공급통로(224)는 바람직하게는 제3면(220c) 즉, 공급구(126)로부터 먼 위치로 갈수록 그 면적이 감소되도록 형성된다. 여기서 상기 공급통로(224)의 면적은 공급되는 연료가 흐르는 방향에 수직으로 형성되는 수직 단면인 직사각형상 또는 원의 면적을 의미한다. 즉, 상기 공급통로(224)의 면적은 공급통로(224)가 원기 둥 형상으로 형성되는 경우에 원의 면적을 의미한다. 또한, 상기 공급통로(224)의 면적은 공급통로(224)가 사각기둥 형상으로 형성되는 경우에 사각형의 면적을 의미한다.
따라서, 상기 공급통로(224)는 공급구(126)로부터 멀어질수록 내부가 경사지게 형성된다. 즉, 상기 공급통로(224)는 공급구에서 멀어질수록 원의 지름 또는 사각형의 폭인 길이가 작게 되도록 형성된다.
상기 공급통로(224)는 공급구(126)에서 먼 위치가 될수록 유입되는 연료의 속도가 증가된다. 상기 공급통로(224)는 단면적이 공급구로부터 멀어질수록 그 면적이 감소되어 공급되는 연료의 양을 감소시키게 된다. 따라서, 상기 공급통로(224)는 각 유입구들로 공급되는 연료의 양을 균일하게 한다.
한편, 상기 공급통로(224)는 공급구(126)에서 먼 위치에서 단면적이 감소되도록 형성되지만, 유입구(222)는 공급구(126)로부터 거리에 관계없이 전체적으로 균일한 크기를 갖도록 형성된다. 따라서, 상기 유입구(222)와 연결되는 애노드부(131)의 연료 유로(132)는 단위영역(121)의 위치에 따라 그 형상이 균일하게 형성된다.
상기 배출통로(125)는 중간판(220) 상부의 내부에서 제1면(220a)과 평행하게 제4면(220d)으로부터 제3면(220c)측 방향으로 형성된다. 상기 배출통로(125)는 단면이 원형 또는 사각형상인 관 형상으로 형성된다. 상기 배출통로(125)는 결합홈(121a)의 상부에 형성되는 유출구(123)들과 전체적으로 연결되도록 형성된다.
상기 공급구(126)는 중간판(220)의 제3면(220c) 하부에 공급통로(224)와 연 결되도록 형성된다.
상기 배출구(127)는 중간판(220)의 제4면(220d) 상부에 배출통로(125)와 연결되도록 형성된다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작용에 대하여 설명한다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작용에 대하여 설명한다. 이하에서는 도 1 내지 도 6의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작용을 중심으로 설명한다.
먼저, 상기 연료펌프(190)는 연료탱크(180)에 저장되어 있는 연료를 연료전지 본체(110)로 공급한다. 상기 연료전지 본체(110)로 공급되는 연료는 공급구(126)를 통하여 공급통로(124)로 공급하게 된다. 상기 공급통로(124)는 공급된 연료를 유입구(122)를 통하여 각 단위영역(121)의 결합홈(121a)의 하부로 공급하게 된다. 이때, 상기 유입구(122)들은 공급구(126)로부터 멀어질수록 작은 면적으로 형성되지만, 공급되는 연료의 속도는 증가된다. 따라서, 상기 각 단위영역(121)의 결합홈(121a)으로 공급되는 연료의 양은 전체적으로 균일하게 된다. 상기 연료는 제3면(120c)측에 형성되어 있는 단위영역(121)의 결합홈(121a)으로부터 제3면(420c) 측에 형성되는 단위영역의 결합홈(121a)으로 순차적으로 공급된다.
상기 애노드부(131)의 연료 유로(132)는 공급된 연료가 결합홈(121a)의 상부로 흐르면서 MEA(135)의 제1전극층(135a)으로 전체적으로 공급되도록 한다. 한편, 상기 캐소드부(137)의 공기유로(138)는 외부로부터 대류에 의하여 공급되는 공기를 MEA(135)의 제2전극층(135b)으로 공급된다. 상기 전기생성유닛(130)은 각 단위영역에 공급되는 연료의 양이 균일하게 되므로, 전기생성 효율이 균일하게 유지될 수 있다. 상기 각 단위영역(121)에서 전기 생성 반응에 사용된 연료는 유출구(123)를 통하여 배출통로(125)로 유출된다. 상기 배출통로(125)는 유출된 연료를 배출구(127)를 통하여 중간판(120)의 외부로 배출하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료전지 본체에 대한 분해사시도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 본체를 구성하는 전기생성유닛에서 막-전극어셈블리의 부분단면도이다.
도 4는 도 2의 연료전지 본체를 구성하는 중간판의 정면도이다.
도 5는 도 2의 연료전지 본체를 구성하는 애노드부의 정면도이다.
도 6은 도 2의 연료전지 본체를 구성하는 캐소드부의 정면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 중간판에 대한 정면도이다.
도 8은 도 7의 중간판을 분해한 분해 사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 - 연료전지 시스템 110 - 연료전지 본체
120, 220 - 중간판 130 - 전기생성 유닛
140 - 케이스
180 - 연료탱크 190 - 연료펌프

Claims (21)

  1. 다수의 단위영역을 구비하며, 상기 단위영역들에 각각 형성되어 연료를 공급하는 유입구들과, 상기 단위영역에 각각 형성되어 연료를 배출하는 유출구들과, 상기 유입구들과 연결되는 공급통로와, 상기 유출구들과 연결되는 배출통로와, 상기 공급통로와 연결되며 외부로부터 연료가 공급되는 공급구와, 상기 배출통로와 연결되며 외부로 연료가 배출되는 배출구를 포함하는 구비하는 중간판 및
    상기 단위영역에 안착되어 공급되는 연료와 공기의 반응에 의하여 전기를 생성하는 전기생성유닛을 구비하는 연료전지 본체를 포함하며,
    상기 유입구들은 상기 공급구로부터 거리가 멀어짐에 따라 그 면적이 점차 감소되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중간판은 상기 단위영역이 각각 형성되는 제1면 및 제2면과, 상기 공급구가 형성되는 제3면과, 상기 배출구가 형성되는 제4면을 구비하는 판상으로 형성되며,
    상기 단위영역은 홈 형상의 결합홈으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 유입구들은 상기 중간판의 내부로 연장되는 방향에 수직인 단면의 형상이 직사각형상으로 형성되며, 상기 공급구로부터 먼 위치에 형성될수록 직사각형의 면적이 작게되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 유입구들의 높이는 동일하게 형성되며, 상기 유입구들의 폭은 상기 공급구로부터 거리가 멀어짐에 따라 점차 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 유입구는 상기 결합홈 하부의 바닥면에서 상기 공급구가 형성되는 제3면측에서 상기 공급통로와 연결되도록 상기 중간판의 내부로 연장되어 형성되며,
    상기 유출구는 상기 결합홈 상부의 바닥면에서 상기 배출구가 형성되는 제4면측에서 상기 배출통로와 연결되도록 상기 중간판의 내부로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 유출구들은 상기 중간판의 내부로 연장되는 방향에 수직인 방향으로 형성되는 단면이 직사각형 형상으로 이루어지며, 상기 유출구들은 전체적으로 동일한 면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 유출구들의 높이는 상기 유입구들의 높이와 동일하고, 상기 유출구들의 폭은 유입구들의 폭의 평균과 동일한 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 공급통로는 상기 중간판 하부의 내부에서 상기 제1면과 평행하게 형성되며, 상기 배출통로는 상기 중간판 상부의 내부에서 상기 제1면과 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 공급구는 상기 제3면에서 하부에 형성되며, 상기 배출구는 제4면에서 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전기생성 유닛은
    상기 단위영역에 밀착되게 배치되는 연료 유로가 형성되는 애노드부;
    상기 애노드부에 밀착되게 배치되는 막-전극 어셈블리; 및
    공기를 유통시키기 위한 공기유로가 구비되며, 상기 막-전극 어셈블리에 밀 착되는 캐소드부를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 애노드부는 상기 단위영역에 대응되는 판상으로 형성되며, 상기 유입구에서 공급되는 연료를 유통시키기 위한 연료 유로가 지그재그 형상으로 형성되고,
    상기 캐소드부는 상기 단위영역에 대응되는 판상으로 형성되며, 복수의 통기공으로 형성되는 공기유로가 형성되며,
    상기 애노드부의 연료 유로는 일단이 상기 단위영역에서 상기 유입구가 형성되는 영역에 위치하게 되며, 타단이 상기 단위영역에서 상기 유출구가 형성되는 영역에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 본체를 전체적으로 감싸며, 상기 캐소드부에 대응되는 영역에 공기홀이 형성되는 케이스와 상기 중간판에 연료를 공급하는 연료펌프와 연료탱크를 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 다수의 단위영역을 구비하며, 상기 단위영역들에 각각 형성되어 연료를 공급하는 유입구들, 상기 단위영역에 각각 형성되어 연료를 배출하는 유출구들, 상기 유입구들과 연결되는 공급통로, 상기 유출구들과 연결되는 배출통로, 상기 공급통로와 연결되며 외부로부터 연료가 공급되는 공급구와 상기 배출통로와 연결되며 외 부로 연료가 배출되는 배출구를 구비하는 중간판 및
    상기 단위영역에 안착되어 공급되는 연료와 공기의 반응에 의하여 전기를 생성하는 전기생성유닛을 구비하는 연료전지 본체를 포함하며,
    상기 공급통로는 상기 중간판 하부의 내부에서 상기 공급구로부터 거리가 멀어짐에 따라 점차 수직 단면적이 감소되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 중간판은 상기 단위영역이 각각 형성되는 제1면 및 제2면과, 상기 공급구가 형성되는 제3면과, 상기 배출구가 형성되는 제4면을 구비하는 판상으로 형성되며,
    상기 단위영역은 홈 형상의 결합홈으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 공급통로는 단면의 형상이 사각형 또는 원형인 기둥 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 배출통로는 상기 중간판 상부의 내부에서 상기 중간판의 제1면과 평행 하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 유입구는 상기 결합홈 하부의 바닥면에서 상기 공급구가 형성되는 제3면측에서 상기 공급통로와 연결되도록 상기 중간판의 내부로 연장되어 형성되며,
    상기 유출구는 상기 결합홈 상부의 바닥면에서 상기 배출구가 형성되는 제4면측에서 상기 배출통로와 연결되도록 상기 중간판의 내부로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 공급구는 상기 중간판의 제3면에서 하부에 형성되며, 상기 배출구는 상기 중간판의 제4면에서 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. 제 13항에 있어서,
    상기 전기생성 유닛은
    상기 단위영역에 밀착되게 배치되는 연료 유로가 형성되는 애노드부;
    상기 애노드부에 밀착되게 배치되는 막-전극 어셈블리; 및
    공기를 유통시키기 위한 공기유로가 구비되며, 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 캐소드부를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 애노드부는 상기 단위영역에 대응되는 판상으로 형성되며, 상기 유입구에서 공급되는 연료를 유통시키기 위한 연료 유로가 지그재그 형상으로 형성되고,
    상기 캐소드부는 상기 단위영역에 대응되는 판상으로 형성되며, 복수의 통기공으로 형성되는 공기유로가 형성되며,
    상기 애노드부의 연료 유로는 일단이 상기 단위영역에서 상기 유입구가 형성되는 영역에 위치하게 되며, 타단이 상기 단위영역에서 상기 유출구가 형성되는 영역에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  21. 제 13항에 있어서,
    상기 연료전지 본체를 전체적으로 감싸며, 상기 캐소드부에 대응되는 영역에 공기홀이 형성되는 케이스와 상기 중간판에 연료를 공급하는 연료펌프와 연료탱크를 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
KR1020070093277A 2007-09-13 2007-09-13 연료전지 시스템 KR100908973B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070093277A KR100908973B1 (ko) 2007-09-13 2007-09-13 연료전지 시스템
US12/230,789 US8211582B2 (en) 2007-09-13 2008-09-04 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070093277A KR100908973B1 (ko) 2007-09-13 2007-09-13 연료전지 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090028021A true KR20090028021A (ko) 2009-03-18
KR100908973B1 KR100908973B1 (ko) 2009-07-22

Family

ID=40454845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070093277A KR100908973B1 (ko) 2007-09-13 2007-09-13 연료전지 시스템

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8211582B2 (ko)
KR (1) KR100908973B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016140521A1 (ko) * 2015-03-04 2016-09-09 한국에너지기술연구원 격자형 흐름전극구조체
US10522849B2 (en) 2015-03-04 2019-12-31 Korea Institute Of Energy Research Electrochemical cell comprising channel-type flowable electrode units

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110136042A1 (en) * 2009-12-07 2011-06-09 Chi-Chang Chen Fluid flow plate assemblies
CN102255094A (zh) * 2009-12-07 2011-11-23 财团法人工业技术研究院 燃料电池装置及其燃料电池模块
US20110132477A1 (en) * 2009-12-07 2011-06-09 Chi-Chang Chen Fluid flow plate assembly having parallel flow channels
JP5564380B2 (ja) * 2009-12-07 2014-07-30 財團法人工業技術研究院 モジュール化された燃料電池装置および流れ場プレートアッセンブリ
US8691473B2 (en) 2009-12-07 2014-04-08 Industrial Technology Research Institute Fuel cell module having non-planar component surface
US8828621B2 (en) * 2009-12-07 2014-09-09 Industrial Technology Research Institute Modularized fuel cell devices and fluid flow plate assemblies
ES2395300B1 (es) * 2011-01-11 2014-04-25 Universidad Del Pais Vasco-Euskal Herriko Unibertsitatea Placa para pilas de combustible con cámara de distribución de reactivo
AT526379B1 (de) * 2022-07-28 2024-04-15 Avl List Gmbh Strömungsanordnung zum Zuführen eines Medienstroms an Einlassöffnungen von Brennstoffzellenstapeln

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08213044A (ja) 1995-02-03 1996-08-20 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2002280024A (ja) 2001-01-12 2002-09-27 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池用セパレータ
KR100486562B1 (ko) 2002-07-30 2005-05-03 엘지전자 주식회사 연료전지용 분리판의 압력손실 방지구조
KR20040099899A (ko) 2003-05-20 2004-12-02 엘지전자 주식회사 연료전지용 스택의 연료공급구조
KR100531817B1 (ko) 2003-05-21 2005-11-30 엘지전자 주식회사 연료전지용 스택의 연료공급구조
KR20050103998A (ko) 2004-04-27 2005-11-02 석준호 연료전지에서 압력 및 유속 보정을 위한 보조유로의 삽입 및 유로 구조
KR100556813B1 (ko) 2004-06-25 2006-03-10 엘지전자 주식회사 연료전지의 바이폴라 플레이트
KR100624456B1 (ko) * 2004-12-31 2006-09-19 삼성에스디아이 주식회사 직접액체연료전지 및 그를 구비한 휴대용 전자 장치
US7422821B2 (en) * 2005-08-19 2008-09-09 Institute Of Nuclear Energy Research On the uniformity of fluid flow rate for interconnecting plate for planar solid oxide fuel cell
KR100649219B1 (ko) * 2005-09-28 2006-11-24 삼성에스디아이 주식회사 직접 산화형 연료 전지 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20070042654A (ko) * 2005-10-19 2007-04-24 삼성에스디아이 주식회사 직접 산화형 연료 전지
KR100728787B1 (ko) * 2005-11-30 2007-06-19 삼성에스디아이 주식회사 직접 메탄올형 연료 전지
KR20070073340A (ko) * 2006-01-04 2007-07-10 삼성에스디아이 주식회사 하우징을 구비한 평판형 연료전지 어셈블리
US20080057377A1 (en) * 2006-09-01 2008-03-06 Tsang-Ming Chang Uniform flow channel board for fuel cell
KR20080076206A (ko) * 2007-02-15 2008-08-20 주식회사 효성 연료전지 스택의 매니폴드

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016140521A1 (ko) * 2015-03-04 2016-09-09 한국에너지기술연구원 격자형 흐름전극구조체
US10522849B2 (en) 2015-03-04 2019-12-31 Korea Institute Of Energy Research Electrochemical cell comprising channel-type flowable electrode units

Also Published As

Publication number Publication date
US20090075153A1 (en) 2009-03-19
US8211582B2 (en) 2012-07-03
KR100908973B1 (ko) 2009-07-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100908973B1 (ko) 연료전지 시스템
US8329358B2 (en) Bipolar plate for fuel cell and fuel cell having the same
KR100493153B1 (ko) 공기 호흡형 직접 메탄올 연료전지 셀팩
KR100649219B1 (ko) 직접 산화형 연료 전지 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
US7951506B2 (en) Bipolar plate and direct liquid feed fuel cell stack
KR20190002548A (ko) 가변적인 횡단면적을 가진 반응물 가스 채널을 구비한 바이폴러 플레이트, 연료 전지 스택, 및 이러한 연료 전지 스택을 구비한 차량
US8119306B2 (en) Bipolar plate and direct liquid feed fuel cell stack
JP2010073565A (ja) 燃料電池及び燃料電池用セパレータ
KR20070043241A (ko) 세미 패시브형 연료전지 시스템
US7261124B2 (en) Bipolar plate channel structure with knobs for the improvement of water management in particular on the cathode side of a fuel cell
US20010035345A1 (en) Water electrolytic apparatus
US7329472B2 (en) Fuel cell system and stack used thereto
US10971736B2 (en) Electrode separator structure and fuel cell applied with the same
US8440361B2 (en) Monopolar separator with an insulation layer for a fuel cell system
KR20070073531A (ko) 연료 전지
KR20030091485A (ko) 직접액체 연료 전지의 연료공급방법 및 이를 적용한직접액체연료 전지장치
JP2016058288A (ja) ガス流路構造及び燃料電池
JP2021519506A (ja) 波状のチャネルを有するバイポーラプレート
US7691520B2 (en) Fuel cell system
US20220336826A1 (en) Separator for fuel cell and fuel cell stack
KR101294206B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 이의 연료 전지 스택
KR100898693B1 (ko) 연료 전지
KR101433933B1 (ko) 세퍼레이터 모듈 및 이를 포함한 연료 전지 스택
KR20070042654A (ko) 직접 산화형 연료 전지
KR20070042655A (ko) 직접 산화형 연료 전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130621

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140701

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150623

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee