KR101155911B1 - Stack for fuel cell system - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부를 포함한다.The stack for a fuel cell system according to the present invention includes an electricity generator for generating electrical energy through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen.

전기 발생부는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 제1 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)과, 세퍼레이터와 제1 기체 확산층 사이에 밀착 배치되며 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성된 연장 부분을 구비하는 제2 기체 확산층을 포함한다. 서로 이웃하는 전기 발생부 중 어느 한 전기 발생부의 연장 부분과 다른 한 전기 발생부의 연장 부분 사이에 컨넥터가 위치한다.The electricity generating unit includes a membrane-electrode assembly (MEA), a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, and a first gas diffusion layer (Gas) disposed between the separator and the membrane-electrode assembly. And a second gas diffusion layer disposed closely between the separator and the first gas diffusion layer and extending outward from at least one edge of the separator. The connector is located between the extension of one of the electricity generating units and the extension of the other electrical generator of neighboring electricity generating units.

연료전지, 스택, 세퍼레이터, 금속, 부식, MEA, 단자부, 기체확산층, GDL, 연장, 컨넥터, 절연부, 실링부재Fuel cell, stack, separator, metal, corrosion, MEA, terminal, gas diffusion layer, GDL, extension, connector, insulation, sealing member

Description

연료 전지 시스템용 스택 {STACK FOR FUEL CELL SYSTEM}Stack for Fuel Cell System {STACK FOR FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing the structure of a stack for a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.

도 3은 도 2의 결합 사시도이다.3 is a perspective view of the combination of FIG.

도 4는 도 3의 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional configuration diagram of FIG. 3.

도 5는 도 2에 도시한 제1 기체 확산층의 평면 구성도이다.FIG. 5 is a plan configuration diagram of the first gas diffusion layer illustrated in FIG. 2.

도 6은 도 2에 도시한 제2 기체 확산층의 평면 구성도이다.FIG. 6 is a plan configuration diagram of the second gas diffusion layer illustrated in FIG. 2.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.7 is a cross-sectional view showing the structure of a stack for a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.8 is a cross-sectional view showing the structure of a stack for a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.9 is a cross-sectional view illustrating the structure of a stack for a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지용 스택 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system having an improved stack structure for a fuel cell.

일반적으로, 연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기 화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료 전지는 연소 과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가지고 있다.In general, a fuel cell is a power generation that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction caused by hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol or natural gas and oxygen in air as a fuel. System. In particular, the fuel cell is characterized in that it can simultaneously use the electricity generated by the electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidant gas and heat by-products thereof without a combustion process.

근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 PEMFC라 한다)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있다.Polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs, hereinafter referred to as PEMFCs), which are being developed in recent years, have excellent output characteristics, low operating temperatures, and fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells.

상기와 같은 PEMFC가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 필요하다. 따라서, PEMFC는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스 택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.In order for the above PEMFC to basically have a system configuration, a fuel cell body (hereinafter referred to as a stack for convenience) called a stack, a fuel tank, and a fuel pump for supplying fuel from the fuel tank to the stack, etc. This is necessary. In the process of supplying the fuel stored in the fuel tank to the stack, a reformer for reforming the fuel to generate hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the stack is further needed. Therefore, the PEMFC supplies the fuel stored in the fuel tank to the reformer by the pumping force of the fuel pump, the reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas, and the stack electrochemically reacts the hydrogen gas and oxygen to generate electrical energy. It is produced.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly : MEA, 이하 MEA라 한다)와 세퍼레이터(separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트' 라고도 한다.)로 이루어진 단위의 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. MEA는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조로 이루어진다. 그리고 세퍼레이터는 상기 MEA를 사이에 두고 양측에 배치되어, 연료 전지의 반응에 필요한 연료 가스와 산소 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 MEA의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.In such a fuel cell system, a stack that substantially generates electricity is a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also referred to in the art as a bipolar plate). Cells of units consisting of several to several dozens have a stacked structure. The MEA has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween. The separator is disposed on both sides of the MEA, and serves as a passage for supplying fuel gas and oxygen gas for the reaction of the fuel cell, and serves as a conductor that connects the anode and cathode electrodes of each MEA in series. Run simultaneously.

따라서 세퍼레이터에 의해 애노드 전극에는 수소를 함유하는 연료가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소를 함유한 산소 가스가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료 가스의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소 가스의 전기 화학적인 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 수분을 함께 얻을 수 있다.Therefore, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode electrode by the separator, while oxygen gas containing oxygen is supplied to the cathode electrode. In this process, the electrochemical oxidation of fuel gas occurs at the anode electrode, the electrochemical reduction of oxygen gas occurs at the cathode electrode, and electricity, heat, and moisture can be obtained together due to the movement of the generated electrons.

상기 전자의 이동을 가능케 하는 종래의 연료 전지는 일본 특허공개 공보 제1994-60905호, 일본 특허공개 공보 제1996-138699호, 일본 특허공개 공보 제2000-58074호, 일본 특허공개 공보 제2000-164234호, 일본 특허공개 공보 제2001-6702호 등에 개시된 바 있다. 상기한 종래 기술들은 별도의 단자를 이용하여 각 단위의 셀을 전기적으로 연결함으로써 소정 전위차를 갖는 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.Conventional fuel cells that allow the movement of electrons are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1994-60905, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1996-138699, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-58074, and Japanese Patent Publication No. 2000-164234 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-6702 and the like. The above-described prior arts have a structure of generating electrical energy having a predetermined potential difference by electrically connecting cells of each unit by using separate terminals.

그런데, 종래의 연료 전지에 있어 공통적으로 구비하는 세퍼레이터가 통상적인 그라파이트 또는 카본 합성물로 형성되기 때문에, 제조하기가 복잡하고, 가격이 비싸 경제적인 부담을 가중시키는 문제점이 있었다.However, since a separator commonly provided in a conventional fuel cell is formed of a conventional graphite or carbon composite material, there is a problem that it is complicated to manufacture and the cost is high and the economic burden is added.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 제조하기가 용이하고 가격이 저렴한 금속 소재의 세퍼레이터 또는 비전도성 세퍼레이터를 사용하여 연료 전지를 구성하고, 이 연료 전지의 전기적인 연결 구조를 개선하여 연료 전지의 성능 및 수명을 연장시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to construct a fuel cell using a metal material separator or a non-conductive separator which is easy to manufacture and inexpensive, and the electrical connection structure of the fuel cell is achieved. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of improving the performance and life of a fuel cell.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택은 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부를 포함한다. 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와, 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터와, 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 제1 기체 확산층과, 세퍼레이터와 제1 기체 확산층 사이에 밀착 배치되며 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성된 연장 부분을 구비하는 제2 기체 확산층을 포함한다. 서로 이웃하는 전기 발생부 중 어느 한 전기 발생부의 연장 부분과 다른 한 전기 발생부의 연장 부분 사이에 컨넥터가 위치한다.The stack for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention includes an electricity generator that generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The electricity generating unit is disposed between the membrane-electrode assembly, the separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, the first gas diffusion layer positioned between the separator and the membrane-electrode assembly, and the separator is disposed closely between the separator and the first gas diffusion layer. And a second gas diffusion layer having an extended portion formed extending outward at least one edge of the edge. The connector is located between the extension of one of the electricity generating units and the extension of the other electrical generator of neighboring electricity generating units.

컨넥터는 세퍼레이터의 가장자리 외측을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 전기 발생부는 복수로 구비되고, 컨넥터는 연장 부분 사이에 밀착 배치되어 연장 부분을 직렬로 연결할 수 있다.The connector may be arranged to surround the outer edge of the separator. A plurality of electricity generating unit is provided, the connector is arranged in close contact between the extension portion can connect the extension portion in series.

하나의 전기 발생부에 대하여 연장 부분 사이에 제1 절연부가 위치할 수 있다. 서로 이웃하는 전기 발생부 사이에 세퍼레이터가 두 개씩 배치되고, 두 개의 세퍼레이터 사이에 제2 절연부가 개재될 수 있다. 세퍼레이터는 세라믹, 합성수지, 및 금속 소재 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.The first insulation may be located between the extending portions with respect to one electricity generating portion. Two separators may be disposed between the electricity generating units adjacent to each other, and a second insulating portion may be interposed between the two separators. The separator may be formed of any one of ceramic, synthetic resin, and metal material.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부를 포함한다. 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와, 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터와, 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 제1 및 제2 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 포함한다. 세퍼레이터와 마주하는 적어도 하나의 기체 확산층은 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성된 연장 부분을 구비하고, 서로 이웃하는 전기 발생부 사이에 연장 부분을 직렬로 연결시키는 컨넥터가 구비된다.The stack for a fuel cell system according to another embodiment of the present invention includes an electricity generating unit for generating electrical energy through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. The electricity generating unit includes a membrane electrode assembly, separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly, and first and second gas diffusion layers (GDLs) disposed between the separator and the membrane electrode assembly. At least one gas diffusion layer facing the separator has an extension portion extending outward of at least one edge of the separator, and a connector is provided for connecting the extension portions in series between neighboring electricity generating portions.

컨넥터는 세퍼레이터의 가장자리 외측을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 제1 기체 확산층은 막-전극 어셈블리에 밀착 배치되고, 막-전극 어셈블리에 상응하는 크기로 형성될 수 있다. 제2 기체 확산층은 연장 부분을 가지면서 제1 기체 확산층에 밀착 배치될 수 있다.The connector may be arranged to surround the outer edge of the separator. The first gas diffusion layer may be disposed in close contact with the membrane-electrode assembly and may be formed in a size corresponding to the membrane-electrode assembly. The second gas diffusion layer may be disposed in close contact with the first gas diffusion layer while having an extended portion.

제1 및 제2 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite), 카본 페이퍼(carbon paper), 및 카본 클로스(carbon cloth) 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.The first and second gas diffusion layers may be formed of any one of a sheet-type carbon composite, carbon paper, and carbon cloth.

컨넥터는 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지고, 제2 기체 확산층의 연장 부분 사이에 밀착 배치될 수 있다. 또한, 컨넥터는 제2 기체 확산층의 연장 부분을 상호 결합시키는 리벳 또는 볼트와 너트를 구비할 수 있다.The connector is made of a conductive carbon material in the form of a block, and may be closely disposed between the extending portions of the second gas diffusion layer. The connector may also have rivets or bolts and nuts that couple the extension portions of the second gas diffusion layer.

컨넥터는 전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 니켈, 및 철 중 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성될 수 있다. 컨넥터와 연장 부분 사이에 와셔가 설치될 수 있다.The connector may be formed of a metal material of any one of aluminum, copper, nickel, and iron or two or more alloy materials having conductivity. A washer may be installed between the connector and the extension.

세퍼레이터는 금속 소재로 이루어질 수 있다. 세퍼레이터는 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 및 코발트 중 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성될 수 있다. 세퍼레이터는 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성할 수 있다.The separator may be made of a metal material. The separator may be formed of a metal material of any one of aluminum, copper, iron, nickel, and cobalt, or two or more alloy materials. The separator may be in close contact with the second gas diffusion layer on one side to form a fuel passage, and the separator may be in close contact with the second gas diffusion layer on the other side to form an oxygen passage.

제2 기체 확산층은 연료 통로 및 산소 통로에 상응하는 개방부를 형성할 수 있다.The second gas diffusion layer may form an opening corresponding to the fuel passage and the oxygen passage.

세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 연료 통로와 산소 통로를 형성할 수 있다. 세퍼레이터는 연료 통로를 일면에 형성하고 다른 일면에 산소 통로를 형성할 수 있다. 세퍼레이터는 카본 소재보다 전도성이 작은 소재로 형성되며, 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성할 수 있다. 세퍼레이터는 세라믹, 폴리머, 및 합성수지 소재 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.The separator can press-process the plate metal to form a fuel passage and an oxygen passage. The separator may form a fuel passage on one side and an oxygen passage on the other side. The separator may be formed of a material having a lower conductivity than a carbon material, and may be in close contact with the second gas diffusion layer on one side to form a fuel passage, and may be in close contact with the second gas diffusion layer on the other side to form an oxygen passage. The separator may be formed of any one of a ceramic, a polymer, and a synthetic resin material.

제1 기체 확산층은 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제1 실링부재를 구비하며, 제1 실링부재는 제1 기체 확산층의 가장자리 부분에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성될 수 있다.The first gas diffusion layer has a first sealing member for preventing the diffusion of fuel and oxygen out of the membrane-electrode assembly, the first sealing member being formed at an edge of the first gas diffusion layer and made of a polymer or rubber material. It can be formed as.

제2 기체 확산층은 연료와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제2 실링부재를 구비하며, 제2 실링부재는 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 위치에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성될 수 있다.The second gas diffusion layer has a second sealing member for preventing the fuel and oxygen from diffusing out of the membrane electrode assembly, the second sealing member is formed at a position corresponding to the edge end of the membrane electrode assembly, It may be formed of a polymer or rubber material.

하나의 전기 발생부에 대하여 연장 부분 사이에 제1 절연부가 개재될 수 있다. 이웃하는 전기 발생부 사이에 세퍼레이터가 두 개씩 배치되고, 두 개의 세퍼레이터 사이에 제2 절연부가 개재될 수 있다.The first insulating portion may be interposed between the extending portions with respect to one electricity generating portion. Two separators may be disposed between neighboring electricity generating units, and a second insulating unit may be interposed between the two separators.

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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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다. Referring to the fuel cell system 100 according to the present invention with reference to the drawings, the fuel cell system 100 reforms a fuel containing hydrogen to generate hydrogen gas, electrochemically the hydrogen gas and oxygen A polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method that generates electrical energy by reacting with a battery is adopted.                     

이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 수소 연료를 의미한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의한다.In the fuel cell system 100, the fuel for generating electricity refers to a hydrogen fuel formed in a liquid or gaseous state such as methanol, ethanol or natural gas. However, the fuel described below is defined as a fuel consisting of a liquid for convenience.

그리고 본 시스템(100)은 수소와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.The system 100 may use pure oxygen gas stored in a separate storage means as oxygen reacting with hydrogen, and may use air containing oxygen as it is. However, the latter example is explained below.

상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 연료 공급원(30)과, 공기를 스택(10)으로 공급하는 산소 공급원(40)을 포함한다.The fuel cell system 100 basically includes a stack 10 that generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and generates hydrogen gas from the fuel and transfers the hydrogen gas to the stack 10. A fuel supply source 30 for supplying and an oxygen supply source 40 for supplying air to the stack 10.

스택(10)은 연료 공급원(30)과 산소 공급원(40)에 연결 설치되어 이 연료 공급원(30)으로부터 상기 수소 가스를 공급받고, 산소 공급원(40)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소 가스와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지를 구성한다.The stack 10 is connected to a fuel supply source 30 and an oxygen supply source 40 to receive the hydrogen gas from the fuel supply source 30 and to receive air from the oxygen supply source 40. The fuel cell is configured to generate electrical energy by reacting oxygen electrochemically.

연료 공급원(30)은 전술한 바 있는 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 이 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 배출시키는 연료 펌프(33)와, 상기 연료 탱크(31)로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 개질기(35)를 포함한다.The fuel supply source 30 supplies a fuel tank 31 for storing the above-described fuel, a fuel pump 33 for discharging the fuel stored in the fuel tank 31, and fuel from the fuel tank 31. And a reformer 35 which generates hydrogen gas from the fuel and supplies the hydrogen gas to the stack 10.

그리고 산소 공급원(40)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 스택 (10)으로 공급하는 공기 펌프(41)를 포함하고 있다.The oxygen source 40 includes an air pump 41 that sucks air with a predetermined pumping force and supplies this air to the stack 10.

상기 연료 공급원(30)에 있어 개질기(35)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기 구조를 갖는다. 부연 설명하면, 상기 개질기(35)는 일 례로서, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 개질기(35)는 일 례로서, 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.Reformer 35 in the fuel source 30 has a conventional reformer structure that generates hydrogen gas from the fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy and reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas. In detail, the reformer 35 generates hydrogen gas from the fuel through catalytic reaction such as steam reforming, partial oxidation, or autothermal reaction. As an example, the reformer 35 reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas by a method such as a catalytic reaction such as a water gas conversion method, a selective oxidation method, or purification of hydrogen using a separator.

대안으로서, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)은 전술한 바 있는 협의의 연료를 직접 스택(10)으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 전지는 전술한 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기(35)를 필요로 하지 않는다.As an alternative, the fuel cell system 100 according to the present invention is a direct methanol fuel cell (DMFC) system capable of producing electricity by directly supplying the fuel of the above-described arrangement to the stack 10. May be employed. This direct methanol fuel cell does not require a reformer 35, unlike the polymer electrolyte fuel cell described above.

이하에서는 고분자 전해질 형 연료 전지 방식을 적용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the fuel cell system 100 using the polymer electrolyte fuel cell method will be described as an example. However, the present invention is not necessarily limited thereto.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시 연료 공급원(30)의 개질기(35)를 통해 발생되는 수소 가스와 공기 펌프(41)에 의해 흡입되는 공기를 스택(10)으로 공급하게 되면, 스택(10)에서는 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.Stack 10 of the hydrogen gas generated through the reformer 35 of the fuel supply source 30 and the air sucked by the air pump 41 during the operation of the fuel cell system 100 according to the present invention configured as described above When supplied to, the stack 10 generates electrical energy through the electrochemical reaction of the hydrogen gas and oxygen contained in the air.

본 발명에 있어 상기한 스택(10)을 구성하는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.In the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings an embodiment constituting the stack 10 as follows.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.2 is an exploded perspective view illustrating a structure of a stack for a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention, FIG. 3 is a combined perspective view of FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional configuration diagram of FIG. 3.

도면을 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한다.)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)'라고도 한다.)(13)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부(11)를 포함하여 이루어진다. 따라서 위와 같은 복수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 적층 배치함으로써 본 실시예에 의한 전기 발생부(11)의 집합체인 스택(10)을 형성할 수 있다.Referring to the drawings, the stack 10 applied to the present system 100 has a membrane-electrode assembly (MEA) (hereinafter referred to as 'MEA') 12 on both sides thereof. A separator (also referred to in the art as a 'bipolar plate') is disposed to include an electric generator 11 having a minimum unit for generating electricity. Accordingly, by stacking and arranging the plurality of electricity generating units 11 as described above, the stack 10, which is an aggregate of the electricity generating units 11 according to the present embodiment, may be formed.

상기한 세퍼레이터(13) 사이에 개재되는 MEA(12)는 이의 양면에 애노드 전극과 캐소드 전극(도시하지 않음)이 위치하고, 상기 두 전극 사이에 전해질막(도시하지 않음)을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 세퍼레이터(13)를 통해 공급되는 수소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 세퍼레이터(13)를 통해 공급되는 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온 및 전자를 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 전해 질막은 두께가 50～200㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 전극에서 발생되는 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.The MEA 12 interposed between the separators 13 has an anode electrode and a cathode electrode (not shown) disposed on both surfaces thereof, and an electrolyte membrane (not shown) is provided between the two electrodes. . The anode electrode functions to oxidize hydrogen gas supplied through the separator 13 to convert hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons. The cathode electrode functions to reduce and react the oxygen in the air supplied through the separator 13 with the hydrogen ions and electrons moved from the anode electrode to generate heat and moisture at a predetermined temperature. The electrolytic membrane is formed of a solid polymer electrolyte having a thickness of 50 to 200 µm, and functions as an ion exchange to move hydrogen ions generated at the anode electrode to the cathode electrode.

그리고 세퍼레이터(13)는 MEA(12)를 사이에 두고 서로 밀착 배치되어, MEA(12)의 양측에 각각 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 형성한다. 여기서 수소 통로(13a)는 실질적인 연료 통로로서, MEA(12)의 애노드 전극 측에 위치하여 개질기(35: 도 1)로부터 공급되는 수소 가스를 애노드 전극으로 공급하는 역할을 한다. 그리고 공기 통로(13b)는 실질적인 산소 통로로서, MEA(12)의 캐소드 전극 측에 위치하여 공기 펌프(41: 도 1)로부터 공급되는 공기 중의 산소를 캐소드 전극으로 공급하는 기능을 하게 된다.The separators 13 are arranged in close contact with each other with the MEA 12 interposed therebetween to form hydrogen passages 13a and air passages 13b on both sides of the MEA 12, respectively. Here, the hydrogen passage 13a is a substantial fuel passage, which is located on the anode electrode side of the MEA 12 and serves to supply hydrogen gas supplied from the reformer 35 (FIG. 1) to the anode electrode. The air passage 13b is a substantial oxygen passage located on the cathode electrode side of the MEA 12 to supply oxygen in the air supplied from the air pump 41 (FIG. 1) to the cathode electrode.

본 발명에 있어 상기한 세퍼레이터(13)는 도면에 도시한 바와 같이, 상기 수소 통로(13a) 및 공기 통로(13b)가 서로 평행하게 배치되면서 그 길이 방향에 수직한 단면 형상이 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어져, 하나의 세퍼레이터(13)에 대해 일면에 수소 통로(13a)를 형성하고 다른 일면에 공기 통로(13b)를 형성하고 있다.In the present invention, the separator 13 has a meandering cross-sectional shape perpendicular to the longitudinal direction while the hydrogen passage 13a and the air passage 13b are disposed in parallel with each other, as shown in the drawing. ), A hydrogen passage 13a is formed on one surface of the separator 13 and an air passage 13b is formed on the other surface of the separator 13.

부연 설명하면, 상기 세퍼레이터(13)는 다음에 설명하는 제2 기체 확산층(15a, 15b)에 각각 밀착 배치되어 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 형성하며, 상기한 수소 통로(13a)와 공기 통로(13a)가 그 몸체의 수직 방향(Y축 방향)을 따라 서로 교번되게 위치하고, MEA(12)를 기준으로 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)가 서로 대향되게 위치한다.In detail, the separator 13 is arranged in close contact with each of the second gas diffusion layers 15a and 15b described below to form a hydrogen passage 13a and an air passage 13b, and the hydrogen passage 13a described above. And the air passage 13a are alternately located along the vertical direction (Y axis direction) of the body, and the hydrogen passage 13a and the air passage 13b are positioned opposite to each other based on the MEA 12.

대안으로서, 상기 세퍼레이터(13)는 위에서와 같이 상기한 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 그 몸체에 대해 수평 방향(X축 방향)으로 상호 평행하게 배치하고 있으나, 이에 국한되지 않고 상기한 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 그 몸체에 대해 수직 방향(Y축 방향)으로 상호 평행하게 배치할 수도 있다.As an alternative, the separator 13 arranges the hydrogen passage 13a and the air passage 13b in parallel with each other in the horizontal direction (X-axis direction) with respect to the body, but is not limited thereto. One hydrogen passage 13a and the air passage 13b may be arranged parallel to each other in the vertical direction (Y-axis direction) with respect to the body.

이와 같은 세퍼레이터(13)는 도면에서 수소 가스와 공기가 수소 통로(13a) 및 공기 통로(13b)에 대하여 어떻게 공급 순환되는지에 대한 구체적인 구성을 생략하고 있으며, 이에 대한 구성은 수소 통로(13a) 및 공기 통로(13b)로 수소 가스와 공기를 공급하여 순환시키고, MEA(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 반응하고 남은 미반응 수소 가스와 공기를 배출시키는 통상적인 것이 적용될 수 있다.The separator 13 omits a specific configuration of how hydrogen gas and air are supplied to and circulated from the hydrogen passage 13a and the air passage 13b in the drawing, and the configuration of the separator 13 includes the hydrogen passage 13a and The conventional method of supplying and circulating hydrogen gas and air to the air passage 13b and discharging the unreacted hydrogen gas and air remaining after reacting at the anode electrode and the cathode electrode of the MEA 12 can be applied.

본 발명에 있어 상기 세퍼레이터(13)는 그라파이트(graphite) 또는 카본 합성물(carbon composite)로 성형하여 상기 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 형성할 수 있다. 그리고 상기 세퍼레이터(13)는 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 철, 니켈 또는 코발트 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 이루어진 금속 플레이트를 프레스 성형하여 상기 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 형성할 수도 있다. 그러나 본 발명에서는 상기한 세퍼레이터(13)가 금속 소재로 이루어지는 예를 설명한다.In the present invention, the separator 13 may be formed of graphite or carbon composite to form the hydrogen passage 13a and the air passage 13b. The separator 13 press-forms a metal plate made of any one metal material selected from a metal material such as aluminum, copper, iron, nickel, or cobalt, or two or more alloy materials to press the hydrogen passage 13a and the air passage. It is also possible to form 13b. However, in the present invention, an example in which the separator 13 is made of a metal material will be described.

바람직하게, 본 실시예에 의한 상기 세퍼레이터(13)는 전체의 형상에 대응하는 한 쌍의 프레스 기구를 이용하여 금속 플레이트를 프레스 성형하는 방식으로 제작될 수 있다. 그리고 상기 세퍼레이터(13)는 금속 소재의 사출 성형 또는 다이캐스팅에 의하여 제작될 수도 있다.Preferably, the separator 13 according to the present embodiment may be manufactured by press molding a metal plate using a pair of press mechanisms corresponding to the overall shape. The separator 13 may be manufactured by injection molding or die casting of a metal material.

대안으로서, 본 실시예에 의한 상기 세퍼레이터(13)는 통상적인 카본 소재 보다 상대적으로 전도성이 작은 소재 또는 비전도성 소재 예컨대, 세라믹, 폴리머, 합성수지, 고무 소재 등의 사출 또는 압출 성형에 의하여 제작될 수도 있다.As an alternative, the separator 13 according to the present embodiment may be manufactured by injection or extrusion molding of a material having relatively less conductivity than a conventional carbon material or a non-conductive material such as a ceramic, a polymer, a synthetic resin, a rubber material, or the like. have.

도면에서 미설명된 참조 부호 17은 세퍼레이터(13)의 테두리 부분에 설치되어 이 세퍼레이터(13)의 강성을 부여하기 위한 지지 프레임을 나타내고 있다. 여기서 상기 지지 프레임(17)은 세퍼레이터(13)가 금속 소재로 이루어지는 경우, 상기 세퍼레이터(13)와 동일한 소재로 형성되고, 바아 형태로 구비되어 세퍼레이터(13)의 가장자리단에 각각 용접 설치되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 지지 프레임(17)은 세퍼레이터(13)가 비전도성 소재로 이루어지는 경우, 상기 세퍼레이터(13)와 동일한 소재로 형성되고, 바아 형태로 구비되어 세퍼레이터(13)의 가장자리단에 각각 접착 설치되는 것이 바람직하다.Reference numeral 17 not described in the drawing denotes a support frame provided on the edge portion of the separator 13 to impart the rigidity of the separator 13. Here, when the separator 13 is made of a metal material, the support frame 17 is formed of the same material as the separator 13, and is provided in the form of a bar to be welded to the edge end of the separator 13, respectively. Do. In addition, when the separator 13 is made of a non-conductive material, the support frame 17 is formed of the same material as the separator 13 and provided in the form of a bar to be adhesively attached to the edge end of the separator 13. desirable.

그리고 각각의 세퍼레이터(13)와 MEA(12) 사이에는 MEA(12)의 양쪽 전극으로 수소 가스와 공기를 확산시켜 주고, 애노드 전극에서 생성되는 전자를 뒤에서 더욱 설명하는 별도의 단자를 통해 이웃하는 MEA(12)의 캐소드 전극으로 원활히 이동시키기 위한 제1 기체 확산층(Gas Diffusion Layer)(14a, 14b)을 구비하고 있다. 이러한 제1 기체 확산층(14a, 14b)은 MEA(12)의 양면에 각각 밀착 배치되며, 상기 MEA(12)에 상응하는 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 제1 기체 확산층(14a, 14b)은 통상적으로 카본 합성물(composite), 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth)로 형성될 수 있다.Then, between each separator 13 and the MEA 12, hydrogen gas and air are diffused to both electrodes of the MEA 12, and neighboring MEAs are provided through separate terminals which further describe electrons generated at the anode electrode. First gas diffusion layers 14a and 14b for smoothly moving to the cathode electrode 12 are provided. The first gas diffusion layers 14a and 14b are disposed on both surfaces of the MEA 12 in close contact with each other, and are preferably formed to have a size corresponding to that of the MEA 12. In addition, the first gas diffusion layers 14a and 14b may be typically formed of a carbon composite, carbon paper, or carbon cloth.

도 5는 도 2에 도시한 제1 기체 확산층의 평면 구성도로서, 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 가장자리 부분에는 수소 가스와 공기가 MEA(12)의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제1 실링부재(18)를 형성하고 있다.FIG. 5 is a plan view of the first gas diffusion layer illustrated in FIG. 2, wherein edges of the first gas diffusion layers 14a and 14b are used to prevent hydrogen gas and air from diffusing to the outside of the MEA 12. 1 sealing member 18 is formed.

부연 설명하면, 상기 제1 실링부재(18)는 세퍼레이터(13: 도 4)의 수소 통로(13a: 도 4)를 통해 공급되는 수소 가스와 세퍼레이터(13)의 공기 통로(13b: 도 4)를 통해 공급되는 공기가 제1 기체 확산층(14a, 14b)을 통해 확산되는 경우, 이 수소 가스와 공기가 MEA(12: 도 4)의 외측으로 확산되면서 전기 발생부(11)의 외부로 새어 나가는 것을 저지하는 기능을 하게 된다. 이러한 제1 실링부재(18)는 MEA(12)의 가장자리단에 상응하는 위치 즉, 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 가장자리 부분에 형성되고, 테프론, 폴리이미드 등과 같은 폴리머 소재 또는 고무 소재로 이루어지며, 상기한 소재가 제1 기체 확산층(14a, 14b)에 함침 형성되는 것이 바람직하다.In more detail, the first sealing member 18 may include the hydrogen gas supplied through the hydrogen passage 13a (FIG. 4) of the separator 13 (FIG. 4) and the air passage 13b (FIG. 4) of the separator 13. When the air supplied through is diffused through the first gas diffusion layers 14a and 14b, the hydrogen gas and the air diffuse out of the MEA 12 (FIG. 4) and leak out of the electricity generation unit 11. It will act to block. The first sealing member 18 is formed at a position corresponding to the edge end of the MEA 12, that is, the edge portion of the first gas diffusion layers 14a and 14b, and may be formed of a polymer material or rubber material such as Teflon, polyimide, or the like. It is preferable that the material is impregnated with the first gas diffusion layers 14a and 14b.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시 세퍼레이터(13)를 통해 MEA(12)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극으로 산소를 함유한 공기가 공급된다. 따라서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응을 통해 수소 가스를 전자와 수소 이온(프로톤)으로 분해한다. 이 때 상기한 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(13)를 통해 이웃하는 MEA(12)의 캐소드 전극으로 이동하게 되는데, 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시키고, 상기 캐소드 전극에서는 상기 이동된 수소 이온 및 전자와 상기한 산소와의 결합 반응을 통해 열과 수분을 발생시킨다.During operation of the fuel cell system 100 according to the present invention configured as described above, hydrogen gas is supplied to the anode electrode of the MEA 12 through the separator 13, while air containing oxygen is supplied to the cathode electrode. Therefore, the anode decomposes the hydrogen gas into electrons and hydrogen ions (protons) through an oxidation reaction of the hydrogen gas. At this time, the hydrogen ions are moved to the cathode electrode through the electrolyte membrane, and the electrons are not moved through the electrolyte membrane, but are moved to the cathode electrode of the neighboring MEA 12 through the separator 13. Current is generated, and the cathode generates heat and moisture through the combined reaction of the transferred hydrogen ions and electrons with the oxygen.

이러는 과정을 거치는 동안, 본 발명에 의한 스택(10)은 세퍼레이터(13)가 금속 소재로 이루어져 있기 때문에, 상기 세퍼레이터(13)는 본 시스템(100)을 가동 시키자 마자 상기한 수분, 열 및 산소에 의해 산화 부식되게 된다. 따라서 상기한 세퍼레이터(13)의 부식은 세퍼레이터(13) 자체에 전자의 흐름을 방해하는 저항을 증대시킴으로써 세퍼레이터(13)의 전도체 기능을 상실케 하고 전체적인 스택(10)의 성능을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다.During this process, since the stack 10 according to the present invention is made of a separator 13 made of a metallic material, the separator 13 is subjected to the moisture, heat and oxygen as soon as the system 100 is operated. Oxidative corrosion. Therefore, the corrosion of the separator 13 increases the resistance that interrupts the flow of electrons to the separator 13 itself, thereby causing a loss of the conductor function of the separator 13 and lowering the performance of the overall stack 10. Done.

이에 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)에 있어 스택(10)을 구성하는 전기 발생부(11)는 상기 제1 기체 확산층(14a, 14b)에 각각 밀착 배치되어 MEA(12)에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부(20)를 포함하고 있다.Accordingly, in the fuel cell system 100 according to the present invention, the electricity generating unit 11 constituting the stack 10 is disposed in close contact with the first gas diffusion layers 14a and 14b to generate electrons generated from the MEA 12. It includes a terminal portion 20 to enable the flow of.

본 실시예에 따르면, 상기 단자부(20)는 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 상기 제1 기체 확산층(14a, 14b)을 통한 전기적인 연결을 가능케 하는 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 구비하고 있다.According to the present exemplary embodiment, the terminal part 20 may include the second gas diffusion layers 15a and 15b which enable electrical connection to the neighboring electricity generators 11 through the first gas diffusion layers 14a and 14b. Equipped with.

보다 구체적으로, 상기한 제2 기체 확산층(15a, 15b)은 세퍼레이터(13)와 제1 기체 확산층(14a, 14b) 사이에 배치되어 각각의 제1 기체 확산층(14a, 14b)에 부착되도록 구성된다.More specifically, the second gas diffusion layers 15a and 15b are arranged between the separator 13 and the first gas diffusion layers 14a and 14b to be attached to the respective first gas diffusion layers 14a and 14b. .

상기 제2 기체 확산층(15a, 15b)은 그 가장자리 부분이 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 가장자리단 외측으로 연장되면서 세퍼레이터(13)의 가장자리단 외측으로 확장되는 구조로 이루어진다. 이 때 도면에 "A" 로 표시한 상기 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분은 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 가장자리단을 기준으로 최소한 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 어느 한 쪽 가장자리단 외측으로 연장되면서 세퍼레이터(13)의 가장자리단 외측으로 확장 형성된다.The second gas diffusion layers 15a and 15b have a structure in which the edge portion thereof extends outside the edge end of the first gas diffusion layers 14a and 14b and extends outside the edge end of the separator 13. At this time, the extending portions of the second gas diffusion layers 15a and 15b, denoted by "A" in the drawing, are formed at least on the edges of the first gas diffusion layers 14a and 14b. It extends to the outer edge end of the separator 13 while extending to the outside of one edge end.

그러나 본 명세서의 도면에서는 상기한 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)이 세퍼레이터(13)의 전체 가장자리단 외측으로 연장 형성되는 예를 도시하고 있다.However, the drawing of this specification shows the example in which the extension part A of said 2nd gas diffusion layer 15a, 15b is extended in the outer edge edge of the separator 13, and is formed.

이러한 제2 기체 확산층(15a, 15b)은 제1 기체 확산층(14a, 14b)과 같은 카본 합성물(composite), 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth)로 형성될 수 있다. 이 때 상기한 제2 기체 확산층(15a, 15b)은 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a) 및 공기 통로(13b)에 상응하는 개방부를 형성할 수 있다. 이 개방부는 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a) 및 공기 통로(13b)를 통해 공급되는 수소 가스와 공기를 MEA(12)와 밀착하고 있는 제1 기체 확산층(14a, 14b)으로 용이하게 흘려 보내기 위한 것이다.The second gas diffusion layers 15a and 15b may be formed of a carbon composite such as the first gas diffusion layers 14a and 14b, carbon paper, or carbon cloth. In this case, the second gas diffusion layers 15a and 15b may form openings corresponding to the hydrogen passage 13a and the air passage 13b of the separator 13. This opening easily flows the hydrogen gas and air supplied through the hydrogen passage 13a and the air passage 13b of the separator 13 to the first gas diffusion layers 14a and 14b in close contact with the MEA 12. It is for.

도 6은 도 2에 도시한 제2 기체 확산층의 평면 구성도로서, 제2 기체 확산층(15a, 15b)은 제1 기체 확산층(14a, 14b: 도 4)의 가장자리단에 대응하는 부분에 제2 실링부재(19)를 형성하고 있다. 상기 제2 실링부재(19)는 세퍼레이터(13: 도 4)의 수소 통로(13a: 도 4)를 통해 공급되는 수소 가스와 세퍼레이터(13)의 공기 통로(13b: 도 4)를 통해 공급되는 공기가 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 통해 확산되는 경우, 이 수소 가스와 공기가 연장 부분(A)으로 확산되면서 전기 발생부(11: 도 4)의 외부로 새어 나가는 것을 저지하는 기능을 하게 된다. 그리고 상기 제2 실링부재(19)는 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 전체 영역에 대해 제1 기체 확산층(14a, 14b)에 상응하는 부분과 전술한 바 있는 연장 부분(A)을 구획하는 기능도 하게 된다. 이러한 제2 실링부재(19)는 제1 기체 확산층(14a, 14b)의 가장자리단에 상응하는 위치에 형성되고, 제1 실링부재(18: 도 4)와 같이 테프론, 폴리이미드 등 의 폴리머 소재 또는 고무 소재로 이루어지며, 상기한 소재가 제2 기체 확산층(15a, 15b)에 함침 형성되는 것이 바람직하다.FIG. 6 is a plan view of the second gas diffusion layer shown in FIG. 2, wherein the second gas diffusion layers 15a and 15b are formed at a portion corresponding to the edge of the first gas diffusion layers 14a and 14b (FIG. 4). The sealing member 19 is formed. The second sealing member 19 is hydrogen gas supplied through the hydrogen passage 13a (FIG. 4) of the separator 13 (FIG. 4) and air supplied through the air passage 13b (FIG. 4) of the separator 13. Is diffused through the second gas diffusion layers 15a and 15b, the hydrogen gas and air are diffused into the extension portion A to prevent leakage to the outside of the electricity generating unit 11 (Fig. 4). do. The second sealing member 19 divides a portion corresponding to the first gas diffusion layers 14a and 14b and an extension portion A as described above with respect to the entire area of the second gas diffusion layers 15a and 15b. It will also function. The second sealing member 19 is formed at a position corresponding to the edge ends of the first gas diffusion layers 14a and 14b, and like the first sealing member 18 (FIG. 4), a polymer material such as Teflon or polyimide, or It is preferably made of a rubber material, the material is preferably impregnated in the second gas diffusion layer (15a, 15b).

이와 같은 전기 발생부(11)의 적층 구조에 의한 본 발명에 따른 스택(10)은 각각의 전기 발생부(11)에 대하여 상기한 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 실질적으로 절연시키는 제1 절연부(21)를 구비하고 있다.The stack 10 according to the present invention having the stacked structure of the electricity generating unit 11 includes a first insulating layer which substantially insulates the second gas diffusion layers 15a and 15b with respect to each of the electricity generating units 11. The insulating part 21 is provided.

바람직하게, 상기 제1 절연부(21)는 각각의 전기 발생부(11)에 대해 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A) 사이에 형성될 수 있다. 이는 하나의 전기 발생부(11)에 대하여 MEA(12)의 애노드 전극 측에 위치하는 제2 기체 확산층(15a)과 캐소드 전극 측에 위치하는 제2 기체 확산층(15a)이 다음에 설명하는 컨넥터(23)에 의한 전자의 흐름으로 인해 전위차를 갖는 (+), (-)의 단자 역할을 하기 때문에, 이러한 단자의 쇼트를 방지하기 위함이다.Preferably, the first insulating portion 21 may be formed between the extending portions A of the second gas diffusion layers 15a and 15b with respect to each of the electricity generating units 11. This means that the second gas diffusion layer 15a located on the anode electrode side of the MEA 12 and the second gas diffusion layer 15a located on the cathode electrode side with respect to one electric generator 11 will be described later. This is to prevent the short circuit of such a terminal because it serves as a terminal of (+) and (-) having a potential difference due to the flow of electrons by 23).

위와 같은 상기 제1 절연부(21)는 절연 테잎 또는 절연 시트 형태로 이루어지며, 페놀수지, 폴리우레탄, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드, 아크릴, 우레아/메라민 수지, 실리콘 수지와 같은 통상의 합성 고분자 화합물을 포함할 수 있으며, 절연 니스와 같은 니스 계열의 절연물을 포함할 수도 있다.The first insulating portion 21 as described above is made of an insulating tape or an insulating sheet form, a conventional synthetic polymer compound such as phenol resin, polyurethane, polyester resin, polyamide, acrylic, urea / melamine resin, silicone resin It may include, and may include a varnish-based insulation, such as insulation varnish.

그리고 본 발명에 의한 스택(10)은 각각의 전기 발생부(11)에 대하여 서로 이웃하는 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)와 다른 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)를 전기적으로 연결하는 컨넥터(23)를 포함하고 있다.In addition, the stack 10 according to the present invention may be configured such that the terminal portion 20 of the one side electricity generating portion 11 and the terminal portion 20 of the other side electricity generating portion 11 which are adjacent to each other with respect to each of the electricity generating portions 11. It includes a connector 23 for electrically connecting.

이와 같은 컨넥터(23)는 전체 스택(10)에 대하여 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에서 발생되는 전기를 직렬로 연결시켜 주기 위한 것이다. 즉, 상기 컨넥터 (23)는 복수의 전기 발생부(11) 중 어느 일측 전기 발생부(11)의 제2 기체 확산층(15a, 15b)과 다른 일측 전기 발생부(11)의 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 전기적으로 연결시키는 전도체의 기능을 하게 된다.The connector 23 is for connecting the electricity generated in the electricity generating unit 11 adjacent to each other with respect to the entire stack 10 in series. That is, the connector 23 may include the second gas diffusion layers 15a and 15b of any one of the plurality of electricity generation units 11 and the second gas diffusion layers of the other one electricity generation unit 11. 15a, 15b) to act as a conductor to electrically connect.

이를 위한 상기 컨넥터(23)는 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 형성될 수 있으며, 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A) 사이 즉, 각각의 전기 발생부(11) 사이에 설치될 수 있다. 그러나 도 2에서는 상기 컨넥터(23)를 편의상 오른쪽 외곽 부분에 위치하는 전기 발생부(11) 사이에만 도시하고 있다.The connector 23 for this purpose may be formed of a carbon material having a conductive block shape, that is, between the extending portions A of the second gas diffusion layers 15a and 15b with respect to the neighboring electricity generating units 11. , May be installed between each of the electricity generating section (11). However, in FIG. 2, the connector 23 is shown only between the electricity generating units 11 positioned at the right outer part for convenience.

보다 구체적으로, 상기 컨넥터(23)는 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 어느 하나의 전기 발생부(11)의 애노드 전극측 제2 기체 확산층(15a)과 다른 하나의 전기 발생부(11)의 캐소드 전극측 제2 기체 확산층(15b)의 연장 부분(A) 사이에 설치되고, 상기 일측 전기 발생부(11)의 캐소드 전극측 제2 기체 확산층(15b)과 상기 다른 일측 전기 발생부(11)의 애노드 전극측 제2 기체 확산층(15a)의 연장 부분(A) 사이에 설치되어 상기한 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 전기적으로 연결할 수 있다.More specifically, the connector 23 has an anode electrode side second gas diffusion layer 15a of one of the electricity generators 11 and the other electricity generator 11 with respect to neighboring electricity generators 11. Is provided between the extending portion A of the cathode electrode-side second gas diffusion layer 15b, and the cathode electrode-side second gas diffusion layer 15b of the one-side electricity generation unit 11 and the other one-side electricity generation unit ( It is provided between the extending portion A of the second gas diffusion layer 15a on the anode electrode side of 11) to electrically connect the second gas diffusion layers 15a and 15b.

그리고 본 실시예에 의한 스택(10)의 최외곽에는 이 스택(10)에서 발생하는 전기를 집전하는 집전 플레이트(26)를 배치하고 있다. 집전 플레이트(26)는 도면에 도시한 바와 같이, 별도의 절연막(27)에 의하여 상기 최외곽의 세퍼레이터(13)와 절연된 상태로 배치될 수 있다. 그리고 스택(10)의 최외곽에 위치하는 단자부(20) 즉, 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)과 집전 플레이트(26) 사이에는 전 술한 바 있는 컨넥터(23)를 설치하고 있다. 이러한 집전 플레이트(26)는 상기 최외곽의 세퍼레이터(13)에 밀착 배치되면서 복수의 전기 발생부(11)를 가압 밀착시키는 구조로 이루어진다. 이에 상기 집전 플레이트(26)는 별도의 체결부재(도시하지 않음) 예컨대, 볼트와 너트 또는 리벳 등에 의해 체결됨으로써, 상기 복수의 전기 발생부(11)를 가압 밀착시킬 수 있다.In the outermost part of the stack 10 according to the present embodiment, a current collecting plate 26 for collecting current generated by the stack 10 is disposed. As illustrated in the drawing, the current collecting plate 26 may be disposed in an insulated state from the outermost separator 13 by a separate insulating layer 27. The connector 23 described above is provided between the terminal portion 20 positioned at the outermost portion of the stack 10, that is, the extension portion A of the second gas diffusion layers 15a and 15b and the current collector plate 26. Doing. The current collecting plate 26 has a structure in which the plurality of electricity generating units 11 are pressed in close contact with the outermost separator 13. Accordingly, the current collecting plate 26 may be pressed by a separate fastening member (not shown), for example, a bolt, a nut, a rivet, or the like, to press and close the plurality of electricity generating units 11.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention configured as described above in detail as follows.

우선, 연료 펌프(33)를 가동시켜 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 개질기(35)로 공급한다. 그러면 개질기(35)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.First, the fuel pump 33 is operated to supply fuel stored in the fuel tank 31 to the reformer 35. The reformer 35 then generates hydrogen gas from the fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy and reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas.

이어서, 연료 펌프(33)의 펌핑력을 이용하여 상기 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(41)를 가동시켜 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급한다.Subsequently, the hydrogen gas is supplied to the electricity generating unit 11 of the stack 10 using the pumping force of the fuel pump 33. At the same time, the air pump 41 is operated to supply air to the electric generator 11.

따라서 상기 수소 가스는 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a)를 통해 제1 기체 확산층(14a)으로 공급되며, 이 제1 기체 확산층(14a)을 통해 MEA(12)의 애노드 전극으로 확산되게 된다. 그리고 상기 공기는 세퍼레이터(13)의 공기 통로(13b)를 통해 제1 기체 확산층(14b)으로 공급되며, 이 제1 기체 확산층(14b)을 통해 MEA(12)의 캐소드 전극으로 확산되게 된다.Therefore, the hydrogen gas is supplied to the first gas diffusion layer 14a through the hydrogen passage 13a of the separator 13 and diffuses to the anode electrode of the MEA 12 through the first gas diffusion layer 14a. The air is supplied to the first gas diffusion layer 14b through the air passage 13b of the separator 13 and diffuses to the cathode electrode of the MEA 12 through the first gas diffusion layer 14b.

이로써 상기 MEA(12)의 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소 가스를 전 자와 수소 이온(프로톤)으로 분해한다. 여기서 상기 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 제1 기체 확산층(14a, 14b) 및 이와 밀착 배치되고 있는 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 통하여 이웃하는 MEA(12)의 캐소드 전극으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 그리고 MEA(12)의 캐소드 전극에서는 상기 이동된 수소 이온 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 소정 온도의 열과 수분을 발생시킨다.As a result, the anode of the MEA 12 decomposes hydrogen gas into electrons and hydrogen ions (protons) through an oxidation reaction. Here, the hydrogen ions are moved to the cathode electrode through the electrolyte membrane, and the electrons are cathodes of the neighboring MEA 12 through the first gas diffusion layers 14a and 14b and the second gas diffusion layers 15a and 15b closely disposed therewith. It is moved to the electrode, which generates a current through the flow of electrons. The cathode electrode of the MEA 12 generates heat and moisture at a predetermined temperature through the reduced reaction of the transferred hydrogen ions, electrons, and oxygen.

이와 같은 작용을 더욱 구체적으로 설명하면, 각각의 전기 발생부(11)에 대해 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)이 절연된 상태를 유지하고, 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)이 컨넥터(23)에 의하여 직렬로 연결되어 있기 때문에, 상기 컨넥터(23)를 통해 전술한 바 있는 전자가 일측 전기 발생부(11)의 애노드 전극측 제2 기체 확산층(15a)에서 다른 일측 전기 발생부(11)의 캐소드 전극측 제2 기체 확산층(15b)으로 이동하게 된다.In more detail, the operation of the second gas diffusion layers 15a and 15b with the extended portions A of the second gas diffusion layers 15a and 15b may be insulated from each other, and the neighboring electricity generators ( 11) Since the extending portions A of the second gas diffusion layers 15a and 15b are connected in series by the connector 23, the electrons described above through the connector 23 are generated on one side of the electricity generation unit. The anode electrode side second gas diffusion layer 15a of (11) moves to the cathode electrode side second gas diffusion layer 15b of the other side electricity generating unit 11.

이러는 과정을 거치면서 각각의 전기 발생부(11)는 상기한 전자의 이동으로 인해 전류를 발생시키게 되고, 스택(10)의 최외곽에 위치하는 집전 플레이트(26)를 통해 소정 전위차를 갖는 전기 에너지를 로드 예컨대, 노트북 PC, PDA와 같은 휴대용 전자기기로 인가할 수 있게 된다.During this process, each of the electricity generating units 11 generates current due to the movement of the electrons, and electrical energy having a predetermined potential difference through the current collector plate 26 located at the outermost side of the stack 10. It can be applied to a portable electronic device such as a load, for example, notebook PC, PDA.

따라서 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)은 전기 발생부(11)를 구성하는 금속 소재의 세퍼레이터(13)가 열, 수분 및 산소에 의해 산화 부식되어 전자의 흐름을 방해하는 전기 저항이 증대되더라도 상술한 바와 같이 제2 기체 확산층 (15a, 15b)을 통해 전자의 흐름을 가능하게 할 수 있다.Therefore, in the fuel cell system 100 according to the present invention, even if the separator 13 of the metal material constituting the electricity generating unit 11 is oxidized and corroded by heat, moisture, and oxygen, the electrical resistance to block the flow of electrons is increased. As described above, the flow of electrons may be enabled through the second gas diffusion layers 15a and 15b.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다. 도 4에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재로서 이하에서 자세한 설명은 생략한다.7 is a cross-sectional view showing the structure of a stack for a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. The same components as those described in FIG. 4 are the same members having the same functions, and detailed descriptions thereof will be omitted below.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 스택(10)은, 전기 제1 실시예의 구조를 기본으로 하면서 단일의 전기 발생부(11)에 대하여 일측 세퍼레이터(43)의 일면에 수소 통로(43a)를 형성하고 이에 대향 밀착되는 타측 세퍼레이터(43)의 일면에 공기 통로(43b)를 형성하고 있는 구조로 이루어진다.Referring to the drawings, the stack 10 according to the present embodiment is based on the structure of the first embodiment, and the hydrogen passage 43a is provided on one surface of the one side separator 43 with respect to the single electricity generating unit 11. The air passage 43b is formed on one surface of the other separator 43 which is formed to be in close contact with the opposite side.

구체적으로, 상기 세퍼레이터(43)는 하나의 전기 발생부(11)에 대하여 일측 제2 기체 확산층(15a)에 밀착되는 일면에 수소 통로(43a)를 형성하고, 타측 제2 기체 확산층(15b)에 밀착되는 일면에 공기 통로(43b)를 형성하고 있다. 이 때 상기 세퍼레이터(43)는 수소 통로(43a) 및 공기 통로(43b)가 그 세퍼레이터(43) 몸체에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고 그 양단이 교호적으로 연결되도록 형성되고 있다. 이에 따라 상기 세퍼레이터(43)의 다른 일면은 이웃하는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(43)의 다른 일면과 서로 밀착되게 된다.Specifically, the separator 43 forms a hydrogen passage 43a on one surface in close contact with one side of the second gas diffusion layer 15a with respect to one electricity generating unit 11, and on the other side of the second gas diffusion layer 15b. An air passage 43b is formed on one surface in close contact. At this time, the separator 43 is formed such that the hydrogen passage 43a and the air passage 43b are arranged in a straight line at random intervals on the body of the separator 43, and both ends thereof are alternately connected. Accordingly, the other surface of the separator 43 is in close contact with the other surface of the separator 43 of the neighboring electricity generating unit 11.

그리고 상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 스택(10)은 서로 이웃하는 각각의 전기 발생부(11)를 실질적으로 절연시키기 위한 제2 절연부(25)를 구비하고 있다. 이 제2 절연부(25)는 서로 이웃하는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(43) 사이에 개재되며, 절연 테잎 또는 절연 시트 형태로 이루어진다.In addition, the stack 10 according to the present embodiment configured as described above includes a second insulator 25 for substantially insulating the electricity generating units 11 adjacent to each other. The second insulating portion 25 is interposed between the separators 43 of the electricity generating portions 11 adjacent to each other, and is formed in the form of an insulating tape or an insulating sheet.

상기한 제2 절연부(25)는, 세퍼레이터(43)가 금속 소재로 형성되고 전기 발 생부(11)의 전기 발생시 수분, 열 및 산소에 의해 산화 부식되어 전기 저항이 증대되기 때문에, 각각의 전기 발생부(11)에서 발생하는 일부의 전류가 제2 기체 확산층(15a, 15b)으로 통하지 않고 세퍼레이터(43)를 통해 이웃하는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(43)로 통하는 것을 차단하여 스택(10)의 전기적인 출력 성능을 향상시키기 위한 것이다. 이 때 상기 제2 절연부(25)는 페놀수지, 폴리우레탄, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드, 아크릴, 우레아/메라민 수지, 실리콘 수지와 같은 통상의 합성 고분자 화합물을 포함할 수 있으며, 절연 니스와 같은 니스 계열의 절연물을 포함할 수도 있다.Each of the above-described second insulation portions 25 is formed of a metal material and is oxidized and corroded by moisture, heat, and oxygen when electricity is generated by the electricity generator 11, thereby increasing the electrical resistance. Part of the current generated in the generator 11 does not pass through the second gas diffusion layers 15a and 15b, but blocks the current through the separator 43 to the separator 43 of the neighboring electricity generator 11. It is to improve the electrical output performance of 10). In this case, the second insulating portion 25 may include a conventional synthetic polymer compound such as phenol resin, polyurethane, polyester resin, polyamide, acrylic, urea / meramine resin, silicone resin, and the like It may also include varnish-based insulation.

본 실시예에 의한 나머지 구성은 전기 제1 실시예의 구성과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.The rest of the configuration according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment, so detailed description thereof will be omitted.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다. 도 4에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재로서 이하에서 자세한 설명은 생략한다.8 is a cross-sectional view showing the structure of a stack for a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. The same components as those described in FIG. 4 are the same members having the same functions, and detailed descriptions thereof will be omitted below.

도면을 참고하면, 이 경우는 전기 제1 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 서로 이웃하는 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)와 다른 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)를 전기적으로 연결하는 컨넥터(73)를 리벳(74)으로 구성할 수 있다.Referring to the drawings, in this case, the terminal portion 20 of one side electricity generating portion 11 and the other terminal portion 20 of the other electrical generating portion 11 adjacent to each other, based on the structure of the first embodiment of the electrical It is possible to configure the connector 73 to be connected to the rivet 74.

이를 위해 본 실시예에 의한 스택(10)은 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)을 서로 겹쳐지도록 구성한다. 그리고 상기한 리벳(74)은 서로 겹쳐진 상기 연장 부분(A)에 리벳 결합되어 이 연장 부분(A)을 전기적으로 연결시킨다. 이에 더하여 상기 컨넥터(73)는 상기 리벳 (74)과 연장 부분(A)의 결합력을 상보적으로 증진시키기 위해, 상기 리벳(74)과 연장 부분(A) 사이에 와셔(75)를 설치할 수도 있다. 여기서 전술한 상기 리벳(74)과 와셔(75)는 전도성을 갖는 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 니켈, 철 등에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성될 수 있다.To this end, the stack 10 according to the present embodiment is configured to overlap the extending portions A of the second gas diffusion layers 15a and 15b with respect to the neighboring electricity generating units 11. The rivet 74 is then riveted to the extension portion A overlapping each other to electrically connect the extension portion A. In addition, the connector 73 may be provided with a washer 75 between the rivet 74 and the extension portion (A) to complementarily promote the coupling force of the rivet 74 and the extension portion (A). . The rivet 74 and the washer 75 described above may be formed of any one metal material selected from conductive metal materials, such as aluminum, copper, nickel, iron, or two or more alloy materials.

한편, 스택(10)의 최외곽에 위치하는 단자부(20) 즉, 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)은 위에서와 같은 컨넥터(73)를 통해 상기 집전 플레이트(26)에 고정 설치될 수 있다.Meanwhile, the terminal portion 20 located at the outermost portion of the stack 10, that is, the extension portion A of the gas diffusion layers 14a and 14b is fixedly installed to the current collecting plate 26 through the connector 73 as described above. Can be.

본 실시예에 의한 나머지 구성은 전기 제1 실시예의 구성과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.The rest of the configuration according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment, so detailed description thereof will be omitted.

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다. 도 4에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재로서 이하에서 자세한 설명은 생략한다.9 is a cross-sectional view illustrating the structure of a stack for a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention. The same components as those described in FIG. 4 are the same members having the same functions, and detailed descriptions thereof will be omitted below.

도면을 참고하면, 이 경우는 전기 제1 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)와 다른 일측 전기 발생부(11)의 단자부(20)를 전기적으로 연결하는 컨넥터(83)를 볼트(84)와 너트(85)로 구성할 수 있다.Referring to the drawings, in this case, based on the structure of the first embodiment of the present invention, the terminal portion 20 of the one side electricity generating unit 11 and the terminal portion 20 of the other side electrical generating unit 11 are electrically connected. The connector 83 may consist of a bolt 84 and a nut 85.

이를 위해 본 실시예에 의한 스택(10)은 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 제2 기체 확산층(15a, 15b)의 연장 부분(A)을 서로 겹쳐지도록 구성한다. 그리고 상기한 볼트(84)와 너트(85)는 서로 겹쳐진 상기 연장 부분(A)에 결합되어 이 연장 부분(A)을 전기적으로 연결시킨다. 이에 더하여 상기 컨넥터(73)는 상기 볼트(84)와 너트(85) 및 상기 연장 부분(A)의 결합력을 상보적으로 증진시키기 위 해, 상기 볼트(84)와 너트(85) 및 상기 연장 부분(A) 사이에 와셔(75)를 설치할 수도 있다. 여기서 전술한 상기 볼트(84)와 너트(85) 및 상기 와셔(75)는 전도성을 갖는 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 니켈, 철 등에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성될 수 있다.To this end, the stack 10 according to the present embodiment is configured to overlap the extending portions A of the second gas diffusion layers 15a and 15b with respect to the neighboring electricity generating units 11. The bolt 84 and the nut 85 are coupled to the extension portion A overlapping each other to electrically connect the extension portion A. In addition, the connector 73 may complement the bolt 84 and the nut 85 and the extension portion A to complementarily enhance the bolt 84 and the nut 85 and the extension portion. The washer 75 can also be provided between (A). The bolt 84 and the nut 85 and the washer 75 described above may be formed of any one metal material selected from conductive metal materials such as aluminum, copper, nickel, iron, or two or more alloy materials. Can be.

한편, 스택(10)의 최외곽에 위치하는 단자부(20) 즉, 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)은 위에서와 같은 컨넥터(83)를 통해 상기 집전 플레이트(26)에 고정 설치될 수 있다.Meanwhile, the terminal portion 20 located at the outermost portion of the stack 10, that is, the extension portion A of the gas diffusion layers 14a and 14b is fixedly installed to the current collecting plate 26 through the connector 83 as described above. Can be.

본 실시예에 의한 나머지 구성은 전기 제1 실시예의 구성과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.The rest of the configuration according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment, so detailed description thereof will be omitted.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 기체 확산층을 통하여 전기 발생부 간의 전기적인 연결이 가능한 스택을 구비하므로, 금속 소재로 이루어지는 세퍼레이터를 사용할 수 있기 때문에 전체적인 스택의 부피를 저감시키고, 프레스 성형이 가능한 금속 소재의 고유한 특성으로 인해 스택의 제조 단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the fuel cell system according to the present invention, since the gas diffusion layer includes a stack capable of electrical connection between the electrical generators, a separator made of a metal material can be used to reduce the volume of the entire stack. Due to the inherent characteristics of the metal material capable of press molding, there is an effect of reducing the manufacturing cost of the stack.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 금속으로 이루어지는 세퍼 레이터가 스택의 전기 발생시 열, 수분 및 산소에 의해 부식되더라도 기체 확산층을 통해 전자의 흐름이 가능하므로, 전체적인 스택의 성능이 저하되거나 수명이 단축되는 등의 염려가 없다.In addition, according to the fuel cell system according to the present invention, even if a separator made of a metal is corroded by heat, moisture, and oxygen during generation of electricity of the stack, electrons can flow through the gas diffusion layer, and thus, the performance of the overall stack is deteriorated or the service life is reduced. There is no fear of being shortened.

Claims (67)

수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부를 포함하며,An electric generator for generating electrical energy through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, 상기 전기 발생부는,The electricity generating unit, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA);Membrane-electrode assembly (MEA); 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator);A separator disposed on both surfaces of the membrane electrode assembly; 상기 세퍼레이터와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 제1 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL); 및A first gas diffusion layer (GDL) positioned between the separator and the membrane-electrode assembly; And 상기 세퍼레이터와 상기 제1 기체 확산층 사이에 밀착 배치되며, 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성된 연장 부분을 구비하는 제2 기체 확산층을 포함하고,A second gas diffusion layer disposed closely between the separator and the first gas diffusion layer, the second gas diffusion layer having an extension portion extending outward of at least one edge of the separator, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 중 어느 한 전기 발생부의 상기 연장 부분과 다른 한 전기 발생부의 상기 연장 부분 사이에 컨넥터가 위치하는 연료 전지 시스템용 스택.A stack for a fuel cell system in which a connector is located between the extending portion of one of the electricity generating portions adjacent to each other and the extending portion of the other electrical generating portion. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 컨넥터는 상기 세퍼레이터의 가장자리 외측을 둘러싸도록 배치되는 연료 전지 시스템용 스택.And the connector is arranged to surround the outer edge of the separator. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 전기 발생부는 복수로 구비되고, 상기 컨넥터는 상기 연장 부분 사이에 밀착 배치되어 상기 연장 부분을 직렬로 연결하는 연료 전지 시스템용 스택.The electricity generating unit is provided with a plurality, the connector is closely disposed between the extending portion is connected to the stack for the fuel cell system in series. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 연장 부분 사이에 제1 절연부가 위치하는 연료 전지 시스템용 스택.A stack for fuel cell systems, wherein a first insulator is located between the extension portions relative to the one electricity generating portion. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 상기 세퍼레이터가 두 개씩 배치되고, 상기 두 개의 세퍼레이터 사이에 제2 절연부가 개재되는 연료 전지 시스템용 스택.And two separators disposed between the electricity generating units adjacent to each other, and a second insulating portion interposed between the two separators. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 세퍼레이터가 세라믹, 폴리머, 합성수지, 및 금속 소재 중 어느 하나의 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.And the separator is formed of any one of ceramic, polymer, synthetic resin, and metal material. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부를 포함하며,An electric generator for generating electrical energy through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, 상기 전기 발생부는,The electricity generating unit, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 세퍼레이터와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 위치하는 제1 및 제2 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 포함하고,Membrane-Electrode Assembly (MEA), a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, and first and second gas diffusion layers positioned between the separator and the membrane-electrode assembly. (Gas Diffusion Layer: GDL), 상기 세퍼레이터와 마주하는 적어도 하나의 상기 기체 확산층이 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성된 연장 부분을 구비하고, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 상기 연장 부분을 직렬로 연결시키는 컨넥터가 구비되는 연료 전지 시스템용 스택.At least one gas diffusion layer facing the separator includes an extension portion extending outward of at least one edge of the separator, and a connector for connecting the extension portions in series between adjacent electricity generating portions is provided Stack for fuel cell systems. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 컨넥터는 상기 세퍼레이터의 가장자리 외측을 둘러싸도록 배치되는 연료 전지 시스템용 스택.And the connector is arranged to surround the outer edge of the separator. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제1 기체 확산층은 상기 막-전극 어셈블리에 밀착 배치되고, 상기 막-전극 어셈블리에 상응하는 크기로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.The first gas diffusion layer is disposed in close contact with the membrane-electrode assembly and is formed to a size corresponding to the membrane-electrode assembly. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 제2 기체 확산층은 상기 연장 부분을 가지면서 상기 제1 기체 확산층에 밀착 배치되는 연료 전지 시스템용 스택.And the second gas diffusion layer is in close contact with the first gas diffusion layer while having the extension portion. 제 10 항에 있어서,11. The method of claim 10, 상기 제1 및 제2 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite), 카본 페이퍼(carbon paper), 및 카본 클로스(carbon cloth) 중 어느 하나의 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.And the first and second gas diffusion layers are formed of any one of a sheet-type carbon composite, carbon paper, and carbon cloth. 삭제delete 제 10 항에 있어서,11. The method of claim 10, 상기 컨넥터는 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지고, 상기 제2 기체 확산층의 상기 연장 부분 사이에 밀착 배치되는 연료 전지 시스템용 스택.The connector is made of a conductive carbon material in the form of a block, the stack for the fuel cell system closely disposed between the extending portion of the second gas diffusion layer. 제 10 항에 있어서,11. The method of claim 10, 상기 컨넥터는 상기 제2 기체 확산층의 상기 연장 부분을 상호 결합시키는 리벳 또는 볼트와 너트를 구비하는 연료 전지 시스템용 스택.The connector includes a rivet or bolt and nut for mutually coupling the extending portion of the second gas diffusion layer. 삭제delete 제 14 항에 있어서,15. The method of claim 14, 상기 컨넥터는 전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 니켈, 및 철 중 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.The connector is a stack for a fuel cell system formed of a conductive metal material of any one of aluminum, copper, nickel, and iron or two or more alloy materials. 제 16 항에 있어서,17. The method of claim 16, 상기 컨넥터와 상기 연장 부분 사이에 와셔를 설치하는 연료 전지 시스템용 스택.A stack for a fuel cell system, wherein a washer is installed between the connector and the extension. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 세퍼레이터가 금속 소재로 이루어지는 연료 전지 시스템용 스택.A stack for a fuel cell system, wherein the separator is made of a metal material. 제 18 항에 있어서,The method of claim 18, 상기 세퍼레이터는 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 및 코발트 중 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.And the separator is formed of a metal material of any one of aluminum, copper, iron, nickel, and cobalt or two or more alloy materials. 제 18 항에 있어서,The method of claim 18, 상기 세퍼레이터는 상기 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.And the separator is in close contact with the second gas diffusion layer on the one side to form a fuel passage, and the separator is in close contact with the second gas diffusion layer on the other side to form an oxygen passage. 제 20 항에 있어서,21. The method of claim 20, 상기 제2 기체 확산층은 상기 연료 통로 및 상기 산소 통로에 상응하는 개방부를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.And the second gas diffusion layer forms an opening corresponding to the fuel passage and the oxygen passage. 제 20 항에 있어서,21. The method of claim 20, 상기 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 상기 연료 통로와 상기 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.And said separator press-processes a sheet metal to form said fuel passage and said oxygen passage. 제 20 항에 있어서,21. The method of claim 20, 상기 세퍼레이터는 상기 연료 통로를 일면에 형성하고 다른 일면에 상기 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.And the separator forms the fuel passage on one side and the oxygen passage on the other side. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 세퍼레이터는 카본 소재보다 전도성이 작은 소재로 형성되며, 상기 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 제2 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.The separator is formed of a material having a lower conductivity than a carbon material, and the fuel cell system is in close contact with the second gas diffusion layer on one side to form a fuel passage, and is in close contact with the second gas diffusion layer on the other side to form an oxygen passage. stack. 제 24 항에 있어서,25. The method of claim 24, 상기 세퍼레이터는 세라믹, 폴리머, 및 합성수지 소재 중 어느 하나의 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.The separator is a stack for a fuel cell system formed of any one of a ceramic, a polymer, and a synthetic resin material. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제1 기체 확산층은 연료와 산소가 상기 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제1 실링부재를 구비하며,The first gas diffusion layer includes a first sealing member for preventing fuel and oxygen from diffusing to the outside of the membrane-electrode assembly. 상기 제1 실링부재는 상기 제1 기체 확산층의 가장자리 부분에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.And the first sealing member is formed at an edge of the first gas diffusion layer and is formed of a polymer or rubber material. 삭제delete 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제2 기체 확산층은 연료와 산소가 상기 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 제2 실링부재를 구비하며,The second gas diffusion layer includes a second sealing member for preventing fuel and oxygen from diffusing to the outside of the membrane electrode assembly. 상기 제2 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 위치에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.And the second sealing member is formed at a position corresponding to an edge of the membrane-electrode assembly and is formed of a polymer or rubber material. 삭제delete 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 연장 부분 사이에 제1 절연부가 개재되는 연료 전지 시스템용 스택.And a first insulating portion interposed between the extension portions with respect to the one electricity generating portion. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 상기 세퍼레이터가 두 개씩 배치되고, 상기 두 개의 세퍼레이터 사이에 제2 절연부가 개재되는 연료 전지 시스템용 스택.And two separators disposed between the electricity generating units adjacent to each other, and a second insulating portion interposed between the two separators. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete

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