KR20110135735A - 연료 전지 스택 - Google Patents

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KR20110135735A
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이치승
안성진
한상일
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

연료 전지 스택은 복수의 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체들 사이에 위치하는 복수의 세퍼레이터와, 세퍼레이터들 중 최외곽 세퍼레이터의 외측에 위치하는 제1 및 제2 엔드 플레이트를 포함한다. 제1 엔드 플레이트는 산화제 주입구와 산화제 배출구를 형성하고, 산화제 주입구와 산화제 배출구를 연결하는 수분 공급 유로를 내부에 형성한다. 수분 공급 유로는 산화제 배출구와 접하는 제1 단부 및 산화제 주입구와 접하는 제2 단부를 포함한다. 제1 단부는 제2 단부보다 크게 형성되고, 제2 단부보다 높게 위치한다.

Description

연료 전지 스택 {FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 스택의 양단에 위치하는 엔드 플레이트에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 연료(탄화수소계 연료, 순수 수소, 또는 수소가 풍부한 개질 가스)와 산화제(공기 또는 순수 산소)의 전기화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지 스택을 포함한다. 직접 산화형 연료 전지는 액체 또는 기체 상태의 탄화수소계 연료를 사용하며, 고분자 전해질형 연료 전지는 순수 수소 또는 수소가 풍부한 개질 가스를 연료로 사용한다.
연료 전지 스택은 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)들과, 막-전극 접합체들 사이에 위치하여 막-전극 접합체들에 연료와 산화제를 공급하는 세퍼레이터들과, 최외곽 세퍼레이터의 바깥에 위치하며 막-전극 접합체들과 세퍼레이터들을 가압하여 이들을 일체로 고정시키는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함한다.
엔드 플레이트에는 연료 주입구, 산화제 주입구, 연료 배출구, 및 산화제 배출구가 형성된다. 연료 주입구로 투입된 연료는 세퍼레이터의 연료 채널을 거치면서 막-전극 접합체들의 애노드 전극에 제공되고, 연료 배출구를 통해 미반응 연료가 배출된다. 산화제 주입구로 투입된 산화제는 세퍼레이터의 산화제 채널을 거치면서 막-전극 접합체들의 캐소드 전극에 제공되고, 산화제 배출구를 통해 미반응 산화제가 배출된다.
연료 전지 스택에 산화제를 투입하기 전 가습 장치를 이용하여 산화제를 일정 습도로 가습시키거나, 가습되지 않은 외부 공기를 그대로 투입할 수 있다. 그런데 가습 장치를 사용하는 경우에는 연료 전지 시스템의 부피가 커지고 제조 비용이 높아지며, 가습 장치에 물을 공급하기 위한 물 공급원과 펌프 등이 요구된다. 반면 가습되지 않은 공기를 그대로 투입하는 경우에는 가습 장치로 인한 문제점을 해결할 수 있으나, 막-전극 접합체의 캐소드 전극 중 산화제를 처음 공급받는 영역이 매우 건조한 상태가 되므로 막-전극 접합체가 열화될 수 있다.
즉, 연료 전지 스택의 내부에는 전기화학적 반응의 부산물로서 수분이 발생하는데, 캐소드 전극 중 산화제를 처음 제공받는 영역은 전기화학적 반응이 활발하지 못하므로 건조한 상태를 유지하게 된다. 건조한 상태는 막-전극 접합체의 운전 중 발생한 라디칼이 막-전극 접합체 내에 오래 존재할 수 있는 조건을 만들기 때문에 막-전극 접합체의 열화를 가속화시키는 원인으로 작용한다.
본 발명은 연료 전지 시스템의 부피 증가와 제조 비용 상승을 유발하지 않으면서 연료 전지 스택으로 투입되는 산화제의 수분 함량을 증가시켜 막-전극 접합체의 열화를 방지할 수 있는 연료 전지 스택을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 복수의 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체들 사이에 위치하여 막-전극 접합체들로 연료와 산화제를 공급하는 복수의 세퍼레이터와, 세퍼레이터들 중 최외곽 세퍼레이터의 외측에 위치하는 제1 및 제2 엔드 플레이트를 포함한다. 제1 엔드 플레이트는 산화제 주입구와 산화제 배출구를 형성하고, 산화제 주입구와 산화제 배출구를 연결하는 수분 공급 유로를 내부에 형성한다. 수분 공급 유로는 산화제 배출구와 접하는 제1 단부 및 산화제 주입구와 접하는 제2 단부를 포함한다. 제1 단부는 제2 단부보다 크게 형성되고, 제1 단부의 높이는 제2 단부의 높이와 상이하다.
제1 엔드 플레이트는 지면과 나란하게 위치하며, 지면에 대한 제1 단부의 높이는 제2 단부의 높이보다 클 수 있다. 수분 공급 유로는 크기가 다른 2개의 유로가 수분 공급 유로의 길이 방향을 따라 이어진 모양으로 형성될 수 있다.
수분 공급 유로는 제1 단부와 같은 크기를 가지는 제1 유로, 및 제1 유로와 이어지며 제2 단부와 같은 크기를 가지는 제2 유로를 포함할 수 있다. 제1 유로와 제2 유로는 원형의 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 유로와 제2 유로는 소수성 표면을 가질 수 있다.
수분 공급 유로는 일자로 곧게 형성되며 일정한 기울기로 배치될 수 있다. 수분 공급 유로는 제1 유로와 제2 유로의 하단이 일자로 곧게 형성되어 제1 유로와 제2 유로가 접하는 경계 영역의 상부에 걸림턱을 형성할 수 있다. 걸림턱은 제1 유로 및 제2 유로의 길이 방향과 직교하거나, 제1 유로 및 제2 유로의 길이 방향에 대해 45° 이하의 기울기를 가질 수 있다.
수분 공급 유로는 제1 유로의 중심선과 제2 유로의 중심선이 일직선 상에 위치하도록 형성되어 제1 유로와 제2 유로가 접하는 경계 영역의 상부와 하부에 걸림턱을 형성할 수 있다. 걸림턱은 제1 유로 및 제2 유로의 길이 방향과 직교하거나, 제1 유로 및 제2 유로의 길이 방향에 대해 45° 이하의 기울기를 가질 수 있다.
제1 엔드 플레이트는 제2 엔드 플레이트보다 낮게 위치하고, 산화제 주입구와 산화제 배출구는 제1 엔드 플레이트의 대각 방향을 따라 마주하는 모서리에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 복수의 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체들 사이에 위치하여 막-전극 접합체들로 연료와 산화제를 공급하는 복수의 세퍼레이터와, 세퍼레이터들 중 최외곽 세퍼레이터의 외측에 위치하는 제1 및 제2 엔드 플레이트를 포함한다. 제1 엔드 플레이트는 산화제 주입구와 산화제 배출구 및 산화제 주입구와 산화제 배출구를 연결하는 수분 공급 유로를 형성한다. 수분 공급 유로는 일 방향을 따라 연속으로 이어진 크기가 다른 적어도 2개의 유로를 포함하며, 유로 중 산화제 배출구와 접하는 유로가 산화제 주입구와 접하는 유로보다 크게 형성된다.
수분 공급 유로는 산화제 배출구와 접하는 제1 유로와, 산화제 주입구와 접하며 제1 유로와 이어진 제2 유로를 포함하며, 제1 유로와 제2 유로는 원형의 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 유로와 제2 유로는 소수성 표면을 가질 수 있다.
수분 공급 유로는 제1 유로와 제2 유로가 접하는 경계 영역에 걸림턱을 형성하며, 걸림턱은 제1 유로 및 제2 유로의 길이 방향에 대해 45°이하의 기울기를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 스택은 수분 공급 유로를 이용하여 배출 산화제의 수분을 재활용함으로써 공급 산화제의 습도를 높일 수 있다. 그 결과 막-전극 접합체 전체를 적절한 습도로 유지할 수 있으므로 건조에 의한 막-전극 접합체의 열화를 억제하고, 연료 전지 스택의 발전 효율과 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 별도의 가습 장치를 구비하지 않음에 따라, 연료 전지 시스템의 부피를 작게 하고, 제조 비용을 낮추며, 부품 수 증가를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 하나의 막-전극 접합체와 2개의 세퍼레이터를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 4는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개한 제1 엔드 플레이트의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 수분 공급 유로의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 제1 엔드 플레이트의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 제1 엔드 플레이트의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 제1 엔드 플레이트의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 1을 참고하면, 제1 실시예의 연료 전지 스택(100)은 복수의 막-전극 접합체(10)와, 막-전극 접합체들(10) 사이에 위치하는 복수의 세퍼레이터(20)와, 최외곽 세퍼레이터의 바깥에 위치하는 제1 및 제2 집전판(31, 32)과, 제1 및 제2 집전판(31, 32)의 바깥에 위치하는 제1 및 제2 엔드 플레이트(41, 42)를 포함한다.
연료 전지 스택(100)은 도시하지 않은 결합 수단에 의해 일체로 고정되며, 막-전극 접합체(10), 세퍼레이터(20), 제1 및 제2 집전판(31, 32)과 제1 및 제2 엔드 플레이트(41, 42)는 결합 수단에 의해 가압되어 서로 밀착된다. 결합 수단은 연료 전지 스택(100)의 적어도 네 모서리를 관통하는 결합 볼트와, 결합 볼트의 단부에 체결되어 결합 볼트를 조이는 고정 너트로 구성될 수 있다.
복수의 막-전극 접합체(10)와 복수의 세퍼레이터(20)가 전기 발생부를 구성한다. 막-전극 접합체(10)는 세퍼레이터(20)를 통해 연료와 산화제를 제공받고, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성한다. 세퍼레이터(20)는 기구적 강도가 약한 막-전극 접합체들(10)을 지지하며, 도전성 물질로 제조되어 막-전극 접합체들(10)을 전기적으로 연결시킨다.
연료 전지 스택(100)은 액체 또는 기체 상태의 탄화수소계 연료(메탄올, 에탄올, 액화석유가스, 액화천연가스, 가솔린, 또는 부탄가스 등)를 제공받거나, 탄화수소계 연료로부터 크랙킹된 수소 또는 수소가 풍부한 개질 가스를 연료로 제공받을 수 있다. 연료 전지 스택(100)은 산화제로서 저장 탱크에 저장된 순수한 산소를 제공받거나 산소를 함유한 외부 공기를 그대로 제공받을 수 있다.
제1 및 제2 엔드 플레이트(41, 42) 및 이들 사이에 위치하는 부재들은 지면과 수직하게 배치되거나, 지면과 나란하게 배치될 수 있다. 도 1에서는 제1 및 제2 엔드 플레이트(41, 42)와 이들 사이에 위치하는 부재들이 지면과 나란하게 배치된 경우를 예로 들어 도시하였다. 이 경우 제1 및 제2 엔드 플레이트(41, 42) 중 아래에 위치하는 제1 엔드 플레이트(41)에 연료 주입구(51), 연료 배출구(52), 산화제 주입구(61), 및 산화제 배출구(62)가 형성될 수 있다.
연료와 산화제는 각각 연료 주입구(51)와 산화제 주입구(61)로 투입되고, 전기 발생부를 거치고 나온 미반응 연료와 미반응 산화제는 각각 연료 배출구(52)와 산화제 배출구(62)를 통해 배출된다. 연료 주입구(51)와 연료 배출구(52)는 제1 엔드 플레이트(41)의 어느 한 대각 방향을 따라 마주하고, 산화제 주입구(61)와 산화제 배출구(62)는 다른 한 대각 방향을 따라 마주하도록 위치한다.
그리고 제1 엔드 플레이트(41)의 내부에 산화제 주입구(61)와 산화제 배출구(62)를 연결하는 수분 공급 유로(70)가 형성된다. 수분 공급 유로(70)는 산화제 주입구(61)로 투입되는 산화제의 흐름과 산화제 배출구(62)로 배출되는 미반응 산화제의 흐름에 실질적인 영향을 미치지 않도록 극히 작은 크기(직경)로 형성된다. 제1 및 제2 엔드 플레이트(41, 42)는 대략 20mm의 두께를 가지는 엔지니어링 플라스틱으로 제조될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 하나의 막-전극 접합체와 2개의 세퍼레이터를 나타낸 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 2와 도 3을 참고하면, 막-전극 접합체(10)는 전해질막(11)과, 전해질막(11)의 일면에 형성된 애노드 전극(12)과, 전해질막(11)의 반대측 일면에 형성된 캐소드 전극(13)과, 전해질막(11)의 가장자리에 고정된 지지 필름(14)을 포함한다.
애노드 전극(12)은 연료를 공급받는 부분으로서 산화 반응에 의해 연료 중의 수소를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층(121)과, 촉매층(121)을 덮는 가스 확산층(122)을 포함한다. 캐소드 전극(13)은 산화제를 공급받는 부분으로서 환원 반응에 의해 산화제 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층(131)과, 촉매층(131)을 덮는 가스 확산층(132)을 포함한다. 전해질막(11)은 애노드 전극(12)의 촉매층(121)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(13)의 촉매층(131)으로 이동시키는 이온 교환 기능을 가진다.
애노드 전극(12)과 캐소드 전극(13)은 전해질막(11)보다 작은 크기로 형성되고, 애노드 전극(12)과 캐소드 전극(13)이 형성되지 않은 전해질막(11)의 가장자리에 지지 필름(14)이 부착될 수 있다. 지지 필름(14)은 수분 흡수에 따른 전해질막(11)의 팽창과 주름 발생을 억제하며, 세퍼레이터(20)와의 기구적인 체결을 가능하게 한다.
세퍼레이터(20)는 애노드 전극(12)에 밀착되는 애노드 세퍼레이터(210)와, 캐소드 전극(13)에 밀착되는 캐소드 세퍼레이터(220)로 구분될 수 있다. 애노드 세퍼레이터(210)는 애노드 전극(12)을 향한 일면에 연료 채널(21)을 형성하고, 캐소드 세퍼레이터(220)는 캐소드 전극(13)을 향한 일면에 산화제 채널(22)을 형성한다. 연료 채널(21)과 산화제 채널(22)은 오목한 홈으로 이루어진다. 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)는 일체로 고정될 수 있으며, 이를 바이폴라 플레이트라 한다.
애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220) 및 지지 필름(14)은 연료 입구 매니폴드(53), 연료 출구 매니폴드(54), 산화제 입구 매니폴드(63), 및 산화제 출구 매니폴드(64)를 형성한다.
연료 입구 매니폴드(53)와 연료 출구 매니폴드(54)는 각각 연료 주입구(51) 및 연료 배출구(52)와 같은 위치이다. 산화제 입구 매니폴드(63)와 산화제 출구 매니폴드(64)는 각각 산화제 주입구(61) 및 산화제 배출구(62)와 같은 위치이다. 연료 채널(21)은 연료 입구 매니폴드(53) 및 연료 출구 매니폴드(54)와 연결되고, 산화제 채널(22)은 산화제 입구 매니폴드(63) 및 산화제 출구 매니폴드(64)와 연결된다.
애노드 세퍼레이터(210)의 내면과 캐소드 세퍼레이터(220)의 내면에는 냉각 채널(23)이 형성될 수 있다. 냉각 채널(23)은 도시하지 않은 송풍부와 연결되며, 송풍부의 흡입력에 의해 외부 공기가 냉각 채널(23)로 유입된다. 따라서 외부 공기와 전기 발생부의 열 교환으로 전기 발생부의 온도를 낮출 수 있다. 한편, 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)는 전술한 공랭식 구조 대신 냉각수가 순환하는 냉각수 매니폴드(도시하지 않음)를 형성할 수 있다.
도 1과 도 2를 참고하면, 연료 주입구(51)로 공급된 연료는 연료 입구 매니폴드(53)를 통해 애노드 세퍼레이터들(210)의 연료 채널(21)로 분산되어 막-전극 접합체들(10)의 애노드 전극(12)으로 동시에 공급된다. 그리고 산화제 주입구(61)로 공급된 산화제는 산화제 입구 매니폴드(63)를 통해 캐소드 세퍼레이터들(220)의 산화제 채널(22)로 분산되어 막-전극 접합체들(10)의 캐소드 전극(13)으로 동시에 공급된다. 이로써 막-전극 접합체(10)에서 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지가 생성된다.
그리고 막-전극 접합체들(10)의 전기화학적 반응에 사용되지 못한 미반응 연료는 연료 출구 매니폴드(54)를 거쳐 연료 배출구(52)를 통해 연료 전지 스택(100)의 외부로 배출된다. 막-전극 접합체들(10)의 전기화학적 반응에 사용되지 못한 미반응 산화제 및 전기화학적 반응의 부산물로서 발생한 수분은 산화제 출구 매니폴드(64)를 거쳐 산화제 배출구(62)를 통해 연료 전지 스택(100)의 외부로 배출된다.
산화제 주입구(61)로 투입되는 산화제는 가습 장치를 거치지 않은 상태로서 외부 공기 자체일 수 있다. 이러한 산화제는 대부분 건조한 상태이므로 가습이 필요하다. 반면 전기 발생부를 거치고 나온 미반응 산화제는 전기화학적 반응의 부산물로서 다량의 수분을 포함한다.
제1 실시예의 연료 전지 스택(100)에서 제1 엔드 플레이트(41)의 수분 공급 유로(70)는 산화제 배출구(62)에서 산화제 주입구(61)로 향하는 수분 이동 경로로 기능한다. 즉, 수분 공급 유로(70)는 산화제 배출구(62)를 통과하는 미반응 산화제(이하 '배출 산화제'라 한다)의 수분을 산화제 주입구(61)를 통과하는 산화제(이하 '공급 산화제'라 한다)로 이동시켜 공급 산화제를 가습시키는 역할을 한다.
도 4는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개한 제1 엔드 플레이트의 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시한 수분 공급 유로의 사시도이다.
도 4와 도 5를 참고하면, 수분 공급 유로(70)는 제1 엔드 플레이트(41) 내부에서 이의 대각 방향을 따라 형성되며, 산화제 배출구(62)와 접하는 제1 단부(71) 및 산화제 주입구(61)와 접하는 제2 단부(72)를 포함한다. 산화제 배출구(62)와 접하는 제1 단부(71)는 산화제 주입구(61)와 접하는 제2 단부(72)보다 크게 형성된다. 그리고 제1 및 제2 엔드 플레이트(41, 42)가 지면과 나란하게 위치하는 경우 제1 단부(71)와 제2 단부(72)는 형성 높이가 상이하다. 즉, 제1 단부(71)와 제2 단부(72)는 지면에 대한 높이가 상이하다.
수분 공급 유로(70)는 크기(직경)이 서로 다른 적어도 2개의 유로가 조합된 구성으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 수분 공급 유로(70)는 제1 단부(71)와 같은 크기로 형성되는 제1 유로(73)와, 제1 유로(73)와 이어지며 제2 단부(72)와 같은 크기로 형성되는 제2 유로(74)로 이루어진다.
제1 유로(73)와 제2 유로(74)의 단면 형상은 원형일 수 있다. 만일 제1 유로(73)와 제2 유로(74)의 단면 형상이 사각형이나 삼각형과 같이 모서리를 가지는 형상인 경우를 가정하면, 물의 장력으로 인해 모서리 부위에 수분이 고일 수 있다. 따라서 제1 유로(73)와 제2 유로(74)를 원형으로 형성함으로써 수분 이동을 원활하게 할 수 있다.
또한, 수분 공급 유로(70)는 소수성 표면을 가질 수 있다. 이 경우, 수분 공급 유로(70) 표면에 대한 물의 접촉각을 작게 하여 수분 이동을 원활하게 할 수 있다. 소수성 표면은 제1 유로(73)와 제2 유로(74)의 내벽에 소수성 물질을 코팅하거나, 표면 처리 과정을 통해 제1 유로(73)와 제2 유로(74)의 내벽에 나노미터(nm) 스케일의 미세한 돌출 기둥을 형성하는 방법 등으로 구현할 수 있다.
제1 유로(73)와 제2 유로(74)는 같은 길이로 형성될 수 있다. 다른 한편으로, 제1 유로(73)와 제2 유로(74)의 길이 비율은 산화제의 유량 및 압력에 따라 변화할 수 있다. 즉, 산화제 주입구(61)와 산화제 배출구(62)를 통과하는 산화제의 유량 및 압력 상태에 따라 제1 유로(73)가 제2 유로(74)보다 큰 길이로 형성되거나, 제2 유로(74)가 제1 유로(73)보다 큰 길이로 형성될 수 있다.
또한, 수분 공급 유로(70)는 중간이 어떤 방향으로도 휘어지지 않고 일자로 곧게 뻗은 형태로 이루어진다. 따라서 수분 공급 유로(70)는 산화제 배출구(62)와 산화제 주입구(61)를 연결하는 최단 경로를 제공하며, 제1 단부(71)에서 제2 단부(72)를 향해 점진적으로 지면에 대한 높이가 낮아지는 일정한 기울기로 배치된다.
도 5에서는 제1 유로(73)와 제2 유로(74)가 같은 길이로 형성되고, 단면 형상이 원형인 수분 공급 유로(70)를 예로 들어 도시하였다. 그러나 수분 공급 유로(70)의 단면 형상과 제1 및 제2 유로(73, 74)의 길이는 도시한 예에 한정되지 않으며 다양하게 변형 가능하다.
연료 전지 스택(100)이 동작하는 과정에서 산화제 주입구(61)에는 높은 압력의 공급 산화제가 흐르고, 산화제 배출구(62)로는 수분을 포함하는 낮은 압력의 배출 산화제가 흐른다. 이러한 압력 차이와 제1 유로(73)와 제2 유로(74)의 직경 차이에 의해 배출 산화제에 포함된 수분이 수분 공급 유로(70)로 흡입되어 공급 산화제로 배출된다.
즉, 낮은 압력의 배출 산화제에 포함된 수분은 비교적 큰 직경의 제1 유로(73)로 쉽게 흘러 들어가며, 제1 유로(73)에 모인 수분은 공급 산화제의 높은 압력에 의해 제2 유로(74)로 빨려 들어가 공급 산화제로 배출된다. 이때 지면에 대해 제2 유로(74)가 제1 유로(73)보다 낮게 위치하므로 제1 유로(73)의 수분이 제2 유로(74)로 빨려 들어갈 때 중력을 영향을 같이 받는다.
또한, 제1 유로(73)가 제2 유로(74)보다 크게 형성되므로 제1 유로(433)와 제2 유로(74)가 접하는 경계 영역에 걸림턱(75)이 형성된다. 이 걸림턱(75)은 제1 유로(73)에서 제2 유로(74)로 진입하는 수분의 속도를 높이는 역할을 한다. 따라서 중력과 걸림턱에 의한 속도 증가의 영향으로 수분 공급 유로(70)를 통과하는 수분의 이동을 보다 원활하게 할 수 있다. 수분 공급 유로(70)의 기울기를 크게 할수록 중력의 영향을 증가시킬 수 있다.
수분 공급 유로(70)는 제1 엔드 플레이트(41)의 아랫면을 향한 제1 및 제2 유로(73, 74)의 하단이 단차 없이 곧게 뻗도록 형성될 수 있다. 이 경우, 걸림턱(75)은 제1 유로(73)와 제2 유로(74)가 접하는 경계 영역의 상부에 위치한다. 제1 유로(73)와 제2 유로(74)의 하단이 일자로 곧게 형성되므로 제1 유로(73)의 수분이 정체되지 않고 즉시 제2 유로(74)를 통해 배출되도록 할 수 있다.
이와 같이 제1 실시예의 연료 전지 스택(100)은 수분 공급 유로(70)를 이용하여 배출 산화제의 수분을 재활용함으로써 공급 산화제의 습도를 높일 수 있다. 그 결과 막-전극 접합체(10) 전체를 적절한 습도로 유지할 수 있으므로 건조에 의한 막-전극 접합체(10)의 열화를 억제하고, 연료 전지 스택(100)의 발전 효율과 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 연료 전지 스택(100)이 별도의 가습 장치를 구비하지 않음에 따라, 연료 전지 시스템의 부피를 작게 하고, 제조 비용을 낮추며, 부품 수 증가를 최소화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 제1 엔드 플레이트의 단면도이다.
도 6을 참고하면, 제2 실시예의 연료 전지 스택은 제1 엔드 플레이트(411)에 위치하는 수분 공급 유로(710)의 걸림턱(751)이 제1 유로(73) 및 제2 유로(74)의 길이 방향을 따라 완만한 기울기로 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 연료 전지 스택과 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
제1 실시예에서 수분 공급 유로(70)의 걸림턱(75)은 제1 유로(73) 및 제2 유로(74)의 길이 방향과 직교하는 반면, 제2 실시예에서 수분 공급 유로(710)의 걸림턱(751)은 제1 유로(73) 및 제2 유로(74)의 길이 방향과 대략 45° 이하의 완만한 각도를 유지한다. 이 경우, 걸림턱(75) 주위에 물이 고이는 현상을 억제할 수 있으며, 완만한 각도의 걸림턱(75) 자체가 수분 이동을 안내하는 가이드 역할을 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 제1 엔드 플레이트의 단면도이다.
도 7을 참고하면, 제3 실시예의 연료 전지 스택은 제1 엔드 플레이트(412)에 위치하는 수분 공급 유로(720)가 제1 유로(731)의 중심선과 제2 유로(741)의 중심선이 일직선 상에 위치하도록 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 연료 전지 스택과 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다. 도 7에서 제1 유로(731)와 제2 유로(741)의 중심선을 쇄선으로 나타내었다. 제3 실시예에서 수분 공급 유로(720)의 걸림턱(752)은 수분 공급 유로(720)의 상부뿐만 아니라 제1 엔드 플레이트(412)의 아랫면을 향한 수분 공급 유로(720)의 하부에도 형성된다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 제1 엔드 플레이트의 단면도이다.
도 8을 참고하면, 제4 실시예의 연료 전지 스택은 제1 엔드 플레이트(413)에 위치하는 수분 공급 유로(730)가 제1 유로(731)의 중심선과 제2 유로(741)의 중심선이 일직선 상에 위치하도록 형성된 것을 제외하고 전술한 제2 실시예의 연료 전지 스택과 동일한 구성으로 이루어진다. 제2 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다. 제4 실시예에서 수분 공급 유로(730)의 걸림턱(753)은 수분 공급 유로(730)의 상부뿐만 아니라 제1 엔드 플레이트(413)의 아랫면을 향한 수분 공급 유로(730)의 하부에도 형성된다.
상기에서는 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.
100: 연료 전지 스택 10: 막-전극 접합체
11: 전해질막 12: 애노드 전극
13: 캐소드 전극 20: 세퍼레이터
210: 애노드 세퍼레이터 220: 캐소드 세퍼레이터
21: 연료 채널 22: 산화제 채널
31, 32: 제1, 제2 집전판 41, 42: 제1, 제2 엔드 플레이트
51: 연료 주입구 52: 연료 배출구
61: 산화제 주입구 62: 산화제 배출구
70, 710, 720, 730: 수분 공급 유로 71: 제1 단부
72: 제2 단부 73, 731: 제1 유로
74, 741: 제2 유로 75, 751, 752, 753: 걸림턱

Claims (18)

  1. 복수의 막-전극 접합체;
    상기 막-전극 접합체들 사이에 위치하여 상기 막-전극 접합체들로 연료와 산화제를 공급하는 복수의 세퍼레이터; 및
    상기 세퍼레이터들 중 최외곽 세퍼레이터의 외측에 위치하는 제1 및 제2 엔드 플레이트를 포함하며,
    상기 제1 엔드 플레이트는 산화제 주입구와 산화제 배출구 및 상기 산화제 주입구와 상기 산화제 배출구를 연결하는 수분 공급 유로를 형성하며,
    상기 수분 공급 유로는 상기 산화제 배출구와 접하는 제1 단부 및 상기 산화제 주입구와 접하는 제2 단부를 포함하고, 상기 제1 단부는 상기 제2 단부보다 크게 형성되며, 상기 제1 단부의 높이는 상기 제2 단부의 높이와 다른 연료 전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 엔드 플레이트는 지면과 나란하게 위치하며, 지면에 대한 상기 제1 단부의 높이는 상기 제2 단부의 높이보다 큰 연료 전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수분 공급 유로는 크기가 다른 2개의 유로가 상기 수분 공급 유로의 길이 방향을 따라 이어진 모양으로 형성되는 연료 전지 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수분 공급 유로는 상기 제1 단부와 같은 크기를 가지는 제1 유로, 및 상기 제1 유로와 이어지며 상기 제2 단부와 같은 크기를 가지는 제2 유로를 포함하는 연료 전지 스택.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 유로와 상기 제2 유로는 원형의 단면 형상을 가지는 연료 전지 스택.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 유로와 상기 제2 유로는 소수성 표면을 가지는 연료 전지 스택.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 수분 공급 유로는 일자로 곧게 형성되며 일정한 기울기로 배치되는 연료 전지 스택.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수분 공급 유로는 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 하단이 일자로 곧게 형성되어 상기 제1 유로와 상기 제2 유로가 접하는 경계 영역의 상부에 걸림턱을 형성하는 연료 전지 스택.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 걸림턱은 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로의 길이 방향과 직교하는 연료 전지 스택.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 걸림턱은 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로의 길이 방향에 대해 45° 이하의 기울기를 가지는 연료 전지 스택.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 수분 공급 유로는 상기 제1 유로의 중심선과 상기 제2 유로의 중심선이 일직선 상에 위치하도록 형성되어 상기 제1 유로와 상기 제2 유로가 접하는 경계 영역의 상부와 하부에 걸림턱을 형성하는 연료 전지 스택.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 걸림턱은 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로의 길이 방향과 직교하는 연료 전지 스택.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 걸림턱은 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로의 길이 방향에 대해 45° 이하의 기울기를 가지는 연료 전지 스택.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 제1 엔드 플레이트는 상기 제2 엔드 플레이트보다 낮게 위치하고, 상기 산화제 주입구와 상기 산화제 배출구는 상기 제1 엔드 플레이트의 대각 방향을 따라 마주하는 모서리에 형성되는 연료 전지 스택.
  15. 복수의 막-전극 접합체;
    상기 막-전극 접합체들 사이에 위치하여 상기 막-전극 접합체들로 연료와 산화제를 공급하는 복수의 세퍼레이터; 및
    상기 세퍼레이터들 중 최외곽 세퍼레이터의 외측에 위치하는 제1 및 제2 엔드 플레이트를 포함하며,
    상기 제1 엔드 플레이트는 산화제 주입구와 산화제 배출구 및 상기 산화제 주입구와 상기 산화제 배출구를 연결하는 수분 공급 유로를 형성하고,
    상기 수분 공급 유로는 일 방향을 따라 연속으로 이어진 크기가 다른 적어도 2개의 유로를 포함하며, 상기 유로 중 상기 산화제 배출구와 접하는 유로가 상기 산화제 주입구와 접하는 유로보다 크게 형성된 연료 전지 스택.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 수분 공급 유로는 상기 산화제 배출구와 접하는 제1 유로와, 상기 산화제 주입구와 접하며 상기 제1 유로와 이어진 제2 유로를 포함하고, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로는 원형의 단면 형상을 가지는 연료 전지 스택.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 유로와 상기 제2 유로는 소수성 표면을 가지는 연료 전지 스택.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 수분 공급 유로는 상기 제1 유로와 상기 제2 유로가 접하는 경계 영역에 걸림턱을 형성하며, 상기 걸림턱은 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로의 길이 방향에 대해 45°이하의 기울기를 가지는 연료 전지 스택.
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