KR101030044B1 - 연료 전지 시스템, 이에 사용되는 스택 및 세퍼레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 전기 발생부는 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어지고, 상기 세퍼레이터는, 상기 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분과 전극-전해질 합성체에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 다수의 통로를 구비하며, 상기 각각의 밀착부분에 상보적인 형태의 결합을 이루는 라운드 형상의 돌출부와 오목부를 구비한다.

스택, 연료전지, 세퍼레이터, 수소통로, 공기통로, MEA, 리브, 채널, 돌출부, 요홈부

Description

연료 전지 시스템, 이에 사용되는 스택 및 세퍼레이터 {FUEL CELL SYSTEM, STACK AND SEPARATOR USED THERETO}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.

도 2는 도 1에 도시한 스택의 분해 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시한 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터가 조립된 상태의 부분 단면 구성도이다.

도 4는 도 3에 도시한 세퍼레이터를 확대 도시한 부분 상세도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 대한 세퍼레이터의 변형예를 도시한 단면 구성도이다.

도 6은 종래기술에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터가 조립된 상태의 부분 단면 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.

도 6은 종래기술에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, 전극- 전해질 합성체와 세퍼레이터가 조립된 상태의 부분 단면도이다.

도면을 참고하면, 상기와 같은 연료 전지에 있어서, 실질적으로 전기를 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly)(51)와 당업계에서 바이폴라 플레이트로 칭하는 세퍼레이터(Separator)(53)로 이루어지는 단위의 셀을 수 개 내지 수십 개로 적층한 구조로 이루어진다.

상기 전극-전해질 합성체(51)는 전해질막을 사이에 두고 양면에 각각 부착되는 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진다. 세퍼레이터(53)는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 공급하는 수소통로(55) 및 공기통로(57)의 역할과 각 전극-전해질 합성체(51)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시키는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.

따라서, 세퍼레이터(53)에 의해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되고 캐소드 전극에는 산소 또는 공기가 공급된다. 이 과정에서 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.

세퍼레이터(53)는 전극-전해질 합성체(51)의 양측에 구비되어 상기한 바와 같이 수소 가스를 공급하는 수소통로(55)와 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기통로(57)를 형성한다. 이 수소통로(55) 및 공기통로(57)에 의하여 세퍼레이터(53)는 전극-전해질 합성체(51)와의 사이에 상호 밀착되는 부분(59)과 상기 수소통로(55) 및 공기통로(57)를 사이에 두고 이격되는 부분(61)을 교호적으로 형성한다. 실질적으로 상기 밀착되는 부분(59)은 상기 이격되는 부분(61)을 형성하는 채널을 사이에 두고 배치되는 리브에 의하여 형성된다.

한편, 연료 전지에 있어 상기 스택은 연료 전지의 효율을 향상시키기 위하여 연료의 확산 기능을 향상시킬 수 있고, 연료 확산 시에 필요한 압력이 손실되지 않도록 그 구조 설계를 요구받고 있는 바, 이의 중요한 설계 사항 중 하나가 상기 수소통로(55)와 공기통로(57)의 구조이다. 즉, 상기한 수소통로(55)와 공기통로(57)의 구조는 전극-전해질 합성체(51)의 활성 영역에 대하여 연료인 수소 및 공기가 전극-전해질 합성체(51)의 기체 확산층으로 확산되는 성능과, 전극-전해질 합성체(51)에서 발생된 전력량을 좌우하는 중요한 인자가 된다.

또한 종래의 스택에 있어 전극-전해질 합성체(51)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(53)를 배치한 상태에서 상기 각각의 세퍼레이터(55)를 전극-전해질 합성체(51)의 양측면에 밀착시킬 때, 각각의 세퍼레이터(55)가 서로 밀리면서 어긋나게 되어 전극-전해질 합성체(51)의 전극에 손상을 가하고, 활성 영역에 대해 수소통로(55) 및 공기통로(57)가 정확하게 위치하지 못하게 된다. 따라서 스택이 구조적으로 불안정하게 되어 결과적으로 연료 전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 창안된 것으로, 그 목적은 전극-전해질 합성체의 활성 영역에 대한 세퍼레이터의 단위 면적당 접촉 면적을 증대시키고, 스택의 구조적인 안정성을 도모할 수 있는 연료 전지 시스템, 이에 사용되는 스택 및 세퍼레이터를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 전기 발생부는 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어지고, 상기 세퍼레이터는, 상기 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분과 전극-전해질 합성체에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 다수의 통로를 구비하며, 상기 각각의 밀착부분에 상보적인 형태의 결합을 이루는 라운드 형상의 돌출부와 오목부를 구비한다.

이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 통로는 전극-전해질 합성체의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 전극-전해질 합성체의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로로 구성될 수 있다. 그리고 상기 수소 통로와 공기 통로는 상기 전극-전해질 합성체를 사이에 두고 서로 대응하게 위치하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는 그 몸체에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성되는 리브와, 상기 리브들 사이에 배치되는 채널을 구비하며, 상기 리브와 마주하는 채널의 내측면에 상기 리브가 밀착되면서 상기 채널에 한 쌍의 통로를 형성할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 돌출부를 리브에 형성하고, 상기 오목부를 채널의 내측면에 형성할 수 있다. 이 경우 상기 각각의 통로는 전극-전해질 합성체의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 전극-전해질 합성체의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로로 구성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 돌출부와 오목부를 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분으로 형성하고, 상기 각각의 통로를 이격부분으로 형성할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되어 스택을 형성하고, 상기 스택과 연료 공급부 사이에, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 스택에 연결 설치될 수도 있다. 이 경우 상기 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어진다.

대안으로서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어질 수도 있다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택은, 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어진 적어도 하나의 전기 발생부를 구비하고, 상기 세퍼레이터는, 상기 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분과 전극-전해질 합성체에 이격되는 이격부분에 의 하여 형성되는 다수의 통로를 구비하며, 상기 각각의 밀착부분에 상보적인 형태의 결합을 이루는 라운드 형상의 돌출부와 오목부를 구비한다.

이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 그 몸체에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성되는 리브와, 상기 리브들 사이에 배치되는 채널을 구비하며, 상기 리브와 마주하는 채널의 내측면에 상기 리브가 밀착되면서 상기 채널에 한 쌍의 통로를 형성할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 돌출부를 리브에 형성하고, 상기 오목부를 채널의 내측면에 형성할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택에 있어서, 상기 각각의 통로는 전극-전해질 합성체의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 전극-전해질 합성체의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로로 구성될 수 있다. 이 경우 상기 수소 통로와 공기 통로가 상기 전극-전해질 합성체를 사이에 두고 서로 대응하게 위치하는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택은, 상기 돌출부와 오목부를 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분으로 형성하고, 상기 각각의 통로를 이격부분으로 형성할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 스택은, 상기 밀착부분에 의하여 상기 전극-전해질 합성체가 파형의 형상으로 이루어진다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스 택에 사용되는 세퍼레이터는, 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되어 연료 전지용 스택의 전기 발생부를 구성하는 것으로서, 몸체; 및 상기 전극-전해질 합성체에 밀착되는 몸체의 일면에 각각 배치되는 수소 통로 및 공기 통로를 포함하고, 상기 각각의 밀착부분에 상보적인 형태의 결합을 이루는 라운드 형상의 돌출부와 오목부를 구비한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택에 사용되는 세퍼레이터는, 상기 밀착부분에 상기 통로와 실질적으로 연통하는 적어도 하나의 연통 구멍을 형성할 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 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 분해 사시도이다.

도면을 참고하면, 본 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스등을 포함한다.

그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의한다.

그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소 연료로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 상기한 산소 연료로서 공기를 사용하는 후자의 예를 설명한다.

상기 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기(3)와, 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(19)를 갖는 스택(7)과, 상기한 연료를 개질기(3)로 공급하는 연료 공급부(1)와, 공기를 전기 발생부(19)으로 공급하는 공기 공급부(5)를 포함하여 구성된다.

대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기 연료를 직접 전기 발생부(19)로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 도 1에 도시한 개질기(3)를 필요로 하지 않는다. 그러나, 이하에서는 편의상 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명할 뿐, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

전술한 바 있는 개질기(3)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도 를 저감시키는 통상적인 개질기의 구조를 갖는다. 부연 설명하면, 상기 개질기(3)는 일 례로서, 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 개질기(3)는 일 례로서, 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

연료 공급부(1)는 개질기(3)와 연결 설치되는 것으로서, 연료를 저장하는 연료 탱크(9)와, 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 액상의 연료를 배출시키는 기능을 갖는다.

공기 공급부(5)는 스택(7)과 연결 설치되며, 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하여 스택(7) 내부로 공급할 수 있는 공기 펌프(13)를 구비한다.

상기 연료 공급부(1) 및 개질기(3)를 통해 수소 가스를 공급받고, 공기 공급부(5)로부터 공기를 공급받는 스택(7)은 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키고 부산물로써 열과 물을 발생시키도록 구성되어 있다.

본 실시예에 적용되는 스택(7)은 개질기(3)를 통해 개질된 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 발생부(19)들로 이루어져 있다. 이 전기 발생부(19)들 각각은 전기를 발생시키는 최소 단위이며, 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly)(이하, "MEA" 라고 한다.)(21)와 이 MEA(21) 의 양측에 수소와 산소를 함유한 공기를 공급하기 위한 세퍼레이터(Separator)(23, 25)로 구성된다.

이 전기 발생부(19)는 MEA(21)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(23, 25)를 배치하여 단일 스택을 형성하며, 상기 전기 발생부(19)가 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(7)을 형성한다. 그리고 스택(7)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 발생부(19)를 밀착시키는 가압 플레이트(27)가 위치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(7)은 상기한 가압 플레이트(27)를 배제하고, 복수의 전기 발생부(19)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(23, 25)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수 있다. 또한 가압 플레이트(27)가 복수의 전기 발생부(19)를 밀착시키는 기능 외에, 세퍼레이터(23, 25)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.

도 3은 도 2에 도시한 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터가 조립된 상태의 부분 단면 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시한 세퍼레이터를 확대 도시한 부분 상세도이다.

도면을 참고하면, 세퍼레이터(23, 25)는 MEA(21)를 사이에 두고 밀착 배치되어, MEA(21)의 양측에 각각 수소통로(15)와 공기통로(17)를 형성한다. 수소통로(15)는 MEA(21)의 애노드 전극(29) 측에 위치하고, 공기통로(17)는 MEA(21)의 캐소드 전극(31) 측에 위치한다.

여기서 상기 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 각기 상기 세퍼레이터(23, 25)의 몸체(23a, 25a)에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고, 그 양단을 교호적 으로 연결하여 형성되고 있다. 물론, 상기 수소통로(15) 및 공기통로(17)의 배치 구조는 이것으로 한정되는 것은 아니다.

이와 같은 양측 세퍼레이터(23, 25) 사이에 개재되는 MEA(21)는 소정의 면적을 가지고 산화/환원 반응이 일어나는 활성 영역(21a)을 구비하며, 이 활성 영역(21a)의 양면에 애노드 전극(29)과 캐소드 전극(31)을 구비하고, 두 전극(29, 31) 사이에 전해질막(33)을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 그리고 상기 MEA(21)는 활성 영역(21a)의 가장자리 부분과 연결되는 비활성 영역(21b)을 구비한다. 여기서 상기 비활성 영역(21b)에는 활성 영역(21a)에 상응하는 세퍼레이터(23, 25)의 밀착면 가장자리 부분을 실링하는 실링재 바람직하게는, 가스켓(gasket)을 형성하고 있다.

상기 MEA(21)의 일면을 형성하는 애노드 전극(29)은 세퍼레이터(23)와 MEA(21) 사이에 형성되는 수소통로(15)를 통하여 수소 가스를 공급받는 부분으로써, 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth) 바람직하게는 카본 클로스로 이루어진 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 통하여 수소 가스를 촉매층으로 공급하고, 이 촉매층에서 수소 가스를 산화 반응시켜, 변환된 전자를 이웃하는 세퍼레이터(25)를 통해 캐소드 전극(31)으로 이동시키고, 수소 이온을 전해질막(33)을 통하여 캐소드 전극(31)으로 이동시킨다. 이 때 전기 발생부(19)에서는 상기 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다.

또한 이 애노드 전극(29)에서 발생된 수소 이온이 전해질막(33)을 통하여 이동되어 오는 캐소드 전극(31)은 세퍼레이터(25)와 MEA(21) 사이에 형성되는 공기통 로(17)를 통해 산소가 함유된 공기를 공급받는 부분으로써, 이 또한 카본 페이퍼 또는 카본 클로스 바람직하게는, 카본 클로스로 이루어진 기체 확산층을 통하여 공기를 촉매층으로 공급하고, 이 촉매층에서 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극(29)으로부터 이동된 수소 이온 및 전자를 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 물을 생성하게 된다.

전해질막(33)은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 전극(29)의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(31)의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환을 가능하게 한다.

본 실시예에 따른 상기 각각의 세퍼레이터(23, 25)는 실질적으로 동일한 형상으로 이루어짐에 따라, 편의상 도 4에서는 하나의 세퍼레이터(23, 25)만을 도시하고, 이하에서는 이를 통해 2개의 세퍼레이터(23, 25)를 같이 설명하도록 한다.

이 세퍼레이터(23, 25)는 상기한 바와 같이 MEA(21)의 애노드 전극(29)과 캐소드 전극(31)에서 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스 및 공기를 공급하기 위한 통로, 즉 수소통로(15)와 공기통로(17)를 각각 구비한다.

즉, 이 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 MEA(21)를 사이에 두고 그 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(23, 25)에 의하여 각각 형성되며, 수소통로(15)는 MEA(21)의 애노드 전극(29) 측에 형성되고, 공기통로(17)는 MEA(21)의 캐소드 전극(31) 측에 형성된다.

상기 수소통로(15) 및 공기통로(17)는 세퍼레이터(23, 25)의 몸체(23a, 25a)의 일면에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성된 리브(23b, 25b)와, 상기 리브(23b, 25b)들 사이의 공간인 채널(23c, 25c)에 의하여 형성될 수 있다. 이러한 구조에 의해 상기 MEA(21)의 활성 영역(21a)의 면적이 설정되고 나서 상기 채널(23c, 25c)의 크기가 설정되면 상기 리브(23b, 25b)의 크기는 자동으로 설정된다. 본 실시예에서 상기 채널(23c, 25c) 및 리브(23b, 25b)의 단면(각기 그 길이 방향에 대한 수직 방향의 단면) 형상은 대략 사각형으로 이루어지나, 반드시 이의 형상에 한정되는 것은 아니다. 그리고 일측 세퍼레이터(23)에 형성된 리브(23b) 및 채널(23c)과 다른 일측 세퍼레이터(25)에 형성된 리브(25b) 및 채널(25c)은 서로 평행하게 배치된 구조를 갖는다.

그리고 본 실시예에 따르면, 상기 세퍼레이터(23, 25)는 리브(23b, 25b)와 마주하는 채널(23c, 25c)의 내측면에 상기 리브(23b, 25b)가 밀착되면서 상기 채널(23c, 25c)에 대하여 각각 수소통로(15)와 공기통로(17)로 이루어진 한 쌍의 통로(18)를 형성할 수 있는 구조를 갖는다. 부연 설명하면, 상기 한 쌍의 통로(18)는, 리브(23b, 25b)와 마주하는 채널(23c, 25c)의 내측면에 상기 리브(23b, 25b)가 밀착될 때, 상기 채널(23c, 25c)이 리브(23b, 25b)에 의해 서로 구획되어 형성되는 각각의 독립적인 통로를 의미한다. 따라서 이들 각각의 통로(18)들은 양 세퍼레이터(23, 25) 사이에 위치하는 MEA(21)에 의해 수소통로(15)와 공기통로(17)를 형성하게 된다. 여기서 상기 리브(23b, 25b) 및 이 리브(23b, 25b)와 마주하는 채널(23c, 25c)의 내측면은 MEA(21)의 양측면에 밀착되는 밀착부분을 의미하고, 상기 한 쌍의 통로(18)는 MEA(21)의 양측면에 이격되는 이격부분을 의미한다. 그리고 상기 수소통로(15)와 공기통로(17)는 리브(23b, 25b)와 마주하는 채널(23c, 25c)의 내측면과, 상기 리브(23b, 25b)가 서로 밀착되면서 MEA(21)를 사이에 두고 서로 대응하게 위치한다.

이러한 구조를 기본으로 하는 본 실시예에 따른 상기 세퍼레이터(23, 25)는 MEA(21)의 애노드 전극(29) 및 캐소드 전극(31)과의 접촉 면적을 극대화시켜 MEA(21)의 활성 영역(21a)에 대한 단위 면적당 전력 생산량을 증가시킬 수 있는 구조를 갖는다. 그리고 상기 세퍼레이터(23, 25)는 이들이 MEA(21)의 양측면에 밀착될 때, 서로 밀리는 등의 구조적인 불안정성을 해결할 수 있는 구조를 갖는다. 또한 상기 세퍼레이터(23, 25)는 이들이 MEA(21)의 양측면에 밀착될 때, MEA(21)에 대하여 균일한 압력으로 작용하고, MEA(21)의 애노드 전극(29) 및 캐소드 전극(31)에 손상을 가하지 않는 구조를 갖는다.

이를 위한 상기 세퍼레이터(23, 25)는 전술한 바와 같이, 서로 밀착되는 리브(23b, 25b)와 채널(23c, 25c)의 내측면에 상보적인 형태의 결합을 이루는 라운드 형상의 돌출부(41)와 오목부(42)를 형성하고 있다. 바람직하기로는, 상기 리브(23b, 25b)에 돌출부(41)를 형성하고, 이에 상응하는 채널(23c, 25c)의 내측면에 오목부(42)를 형성하고 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않고, 상기 리브(23b, 25b)에 오목부(42)를 형성할 수 있고, 상기 채널(23c, 25c)의 내측면에 돌출부(41)를 형성할 수도 있다.

따라서 MEA(21)의 양측면에 세퍼레이터(23, 25)가 밀착되게 되면, MEA(21)를 사이에 두고 리브(23b, 25b)와 마주하는 채널(23c, 25c)의 내측면에 상기 리브(23b, 25b)가 밀착되면서 상기 돌출부(41)가 오목부(42)에 대하여 형태의 결합이 이루어지게 되고, MEA(21)와의 밀착에 의해 일측 세퍼레이터(23)에는 수소통로(15)를 형성하고, 다른 일측 세퍼레이터(25)에는 공기통로(17)를 형성하게 된다. 그리고 이러한 돌출부(41)와 오목부(42)의 형태 결합에 의해 상기 MEA(21)의 전체적인 형상이 파형을 이루게 된다.

이로써 본 실시예에서는 서로 밀착되는 리브(23b, 25b)와 채널(23c, 25c)의 내측면에 라운드 형태의 돌출부(41)와 오목부(42)를 형성함에 따라, MEA(21)의 기설정된 활성 영역(21a)의 면적을 기준으로 MEA(21)의 애노드 전극(29)과 캐소드 전극(31)에 밀착되는 세퍼레이터(23, 25)의 접촉 면적이 실질적으로 늘어나게 된다. 이로써 세퍼레이터(23, 25)와 밀착되는 MEA(21)의 활성 영역(21a)에 대한 단위 면적당 전력 생산량을 증가시킬 수 있다. 그리고 이와 같은 돌출부(41)와 오목부(42)의 형태 결합을 통해 가압 플레이트(27: 도 2)의 가압력에 의한 양 세퍼레이터(23, 25)가 서로 밀리는 등의 움직임을 방지하여 구조적으로 안정한 상태를 유지시킬 수 있다. 또한 이와 같은 라운드 형태의 돌출부(41)와 오목부(42)의 형태 결합을 통해 MEA(21)를 사이에 두고 리브(23b, 25b)와 채널(23c, 25c)의 내측면이 서로 밀착되는 경우, 상기 리브(23b, 25b)와 채널(23c, 25c)의 내측면이 MEA(21)에 대하여 균일한 압력으로 작용함에 따라, MEA(21)의 애노드 전극(29) 및 캐소드 전극(31)이 세퍼레이터(23, 25)의 가압력에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 대한 세퍼레이터의 변형예를 도시한 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 이 경우는 수소통로(15) 및 공기통로(17)를 통과하는 수소 가스와 공기의 흐름이 원활히 이루어지도록 각각의 수소통로(15)와 공기통로(17)를 구획하는 리브(23b, 25b)에 이들 통로(15, 17)을 실질적으로 연결하는 적어도 하나의 연통구멍(43a, 43b)을 형성하고 있는 세퍼레이터(23, 25)를 구성한다.

따라서 일측 세퍼레이터(23)에 대하여 수소통로(15)를 통과하는 수소 가스가 연통구멍(43a)을 통해 분산되고, 다른 일측 세퍼레이터(25)에 대하여 공기통로(17)를 통과하는 공기가 연통구멍(43b)을 통해 분산됨에 따라, 수소통로(15)와 공기통로(17)를 통한 수소 가스와 공기의 보다 원활한 흐름을 가능하게 하여 수소 가스와 공기를 공급하기 위한 에너지 손실을 저감시킬 수 있다.

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 서로 밀착되는 리브와 채널의 내측면에 라운드 형태의 돌출부와 오목부를 형성함에 따라, MEA의 기설정된 활성 영역에 대한 세퍼레이터의 접촉 면적을 증대시킬 수 있다. 따라서 MEA의 활성 영역에 대한 세퍼레이터의 단위 면적당 전력 생산량을 증가시킬 수 있는 효과 있다.

또한 본 발명의 연료 전지 시스템에 의하면, 가압 플레이트의 가압력에 의해 양 세퍼레이터가 서로 밀리는 등의 움직임을 방지할 수 있다. 따라서 이러한 연료 전지의 구조적인 안정성으로 인해 연료 전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 연료 전지 시스템에 의하면, MEA를 사이에 두고 리브와 채널의 내측면이 서로 밀착되는 경우, 리브와 채널의 내측면이 MEA에 대하여 균일한 압력으로 작용함에 따라 MEA의 애노드 전극 및 캐소드 전극이 세퍼레이터의 밀착 부분에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.

또한 본 발명의 연료 전지 시스템에 의하면, 세퍼레이터의 수소통로를 통과하는 수소 가스와 공기통로를 통과하는 공기의 흐름을 원활하게 유도할 수 있는 구조를 가지므로, MEA의 전극에 대한 수소 가스와 공기의 확산 성능을 더욱 향상시키고, 수소 가스와 공기를 MEA로 공급하기 위한 에너지 손실을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (19)

1. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;

   수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및

   공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며,

   상기 전기 발생부는 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어지고,

   상기 세퍼레이터는,

   상기 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분과 전극-전해질 합성체에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 다수의 통로를 구비하며, 상기 각각의 밀착부분에 상보적인 형태의 결합을 이루는 라운드 형상의 돌출부와 오목부를 구비하는 연료 전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 통로는 전극-전해질 합성체의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 전극-전해질 합성체의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로로 구성되는 연료 전지 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 수소 통로와 공기 통로가 상기 전극-전해질 합성체를 사이에 두고 서로 대응하게 위치하는 연료 전지 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 세퍼레이터는 그 몸체에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성되는 리브와, 상기 리브들 사이에 배치되는 채널을 구비하며, 상기 리브와 마주하는 채널의 내측면에 상기 리브가 밀착되면서 상기 채널에 한 쌍의 통로를 형성하는 연료 전지 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 세퍼레이터는 상기 돌출부를 리브에 형성하고, 상기 오목부를 채널의 내측면에 형성하는 연료 전지 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 각각의 통로는 전극-전해질 합성체의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 전극-전해질 합성체의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로로 구성되는 연료 전지 시스템.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 돌출부와 오목부를 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분으로 형성하고, 상기 각각의 통로를 이격부분으로 형성하는 연료 전지 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기 발생부가 복수로 구비되어 스택을 형성하고, 상기 스택과 연료 공급부 사이에, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 스택에 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
9. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,

   상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
11. 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)에 의한 적층 구조로 이루어진 적어도 하나의 전기 발생부를 구비하고,

    상기 세퍼레이터는,

    상기 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분과 전극-전해질 합성체에 이격되는 이격부분에 의하여 형성되는 다수의 통로를 구비하며, 상기 각각의 밀착부분에 상보적인 형태의 결합을 이루는 라운드 형상의 돌출부와 오목부를 구비하는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 세퍼레이터는 그 몸체에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성되는 리브와, 상기 리브들 사이에 배치되는 채널을 구비하며, 상기 리브와 마주하는 채널의 내측면에 상기 리브가 밀착되면서 상기 채널에 한 쌍의 통로를 형성하는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 세퍼레이터는 상기 돌출부를 리브에 형성하고, 상기 오목부를 채널의 내측면에 형성하는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 각각의 통로는 전극-전해질 합성체의 애노드 전극 측에 구비되는 수소 통로와, 상기 전극-전해질 합성체의 캐소드 전극 측에 구비되는 공기 통로로 구성되는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 수소 통로와 공기 통로가 상기 전극-전해질 합성체를 사이에 두고 서로 대응하게 위치하는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
16. 제 13 항에 있어서,

    상기 돌출부와 오목부를 전극-전해질 합성체에 밀착되는 밀착부분으로 형성하고, 상기 각각의 통로를 이격부분으로 형성하는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 밀착부분에 의하여 상기 전극-전해질 합성체가 파형의 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템에 사용되는 스택.
18. 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되어 연료 전지용 스택의 전기 발생부를 구성하는 세퍼레이터(Separator)에 있어서,

    몸체; 및

    상기 전극-전해질 합성체에 밀착되는 몸체의 일면에 각각 배치되는 수소 통로 및 공기 통로

    를 포함하고,

    상기 각각의 밀착부분에 상보적인 형태의 결합을 이루는 라운드 형상의 돌출부와 오목부를 구비하는 연료 전지 시스템의 스택에 사용되는 세퍼레이터.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 밀착부분에 상기 통로와 실질적으로 연통하는 적어도 하나의 연통 구멍을 형성하는 연료 전지 시스템의 스택에 사용되는 세퍼레이터.

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