KR20070005999A

KR20070005999A - 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 장치

Info

Publication number: KR20070005999A
Application number: KR1020050060117A
Authority: KR
Inventors: 이상원
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2007-01-11
Also published as: KR100696681B1; US20070009775A1; JP2007019007A; US7981562B2; JP4942396B2

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 상기 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

상기 전기 발생부는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)의 양면에 세퍼레이터(Separator)를 배치하여 구성되고, 상기 세퍼레이터에 형성되어 수소와 산소의 반응에 의하여 발생되는 열을 방출시키는 방열부를 포함한다.

연료전지, 스택, 금속, 세퍼레이터, 기체확산층, 단자부, 컨넥터, 방열부

Description

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

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 결합 사시도이다.

도 4는 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도 5는 도 2에 도시한 세퍼레이터의 평면 구성도이다.

도 6은 도 2에 도시한 기체 확산층의 평면 구성도이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 9는 본 발명의 4 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 대한 세퍼레이터의 제1 변형예를 도시한 평면 구성도이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 대한 세퍼레이터의 제2 변형예를 도시한 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지용 스택 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

이러한 연료 전지에 있어, 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)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.

이러한 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 연료 전지 시스템은 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 "스택" 이라 한다)와, 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 이 수소를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)와, 산소를 스택으로 공급하기 위한 공기펌프 또는 팬을 구비한다. 따라서 스택에서는 개질기로부 터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.

한편, 고분자 전해질형 연료 전지와 다른 방식의 연료 전지 시스템은 연료를 직접 스택으로 공급하여 이 연료와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)를 채용할 수 있다. 이러한 직접 산화형 연료 전지 방식의 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템과 달리, 개질기를 필요로 하지 않는다.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어, 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 갖는다. MEA는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조로 이루어진다. 그리고 세퍼레이터는 MEA를 사이에 두고 양측에 배치되어, 수소 또는 연료와 산소를 MEA로 공급하는 통로의 역할과, 각 MEA의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.

따라서 MEA의 애노드 전극에는 세퍼레이터에 의해 수소 또는 연료가 공급되는 반면, MEA의 캐소드 전극에는 세퍼레이터에 의해 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기 에너지가 발생된다.

상기 전자의 이동을 가능케 하는 종래의 연료 전지는 일본 특허공개 공보 제 1994-60905호, 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.

그런데, 종래의 연료 전지에 있어 공통적으로 구비하는 세퍼레이터가 통상적인 그라파이트 또는 카본 합성물로 형성되기 때문에, 제조하기가 복잡하고, 가격이 비싸 경제적인 부담을 가중시키는 문제점이 있었다.

한편, 종래의 연료 전지는 수소와 산소의 반응에 의한 전기 발생시 소정 온도의 열을 발생시킨다. 이러한 열은 적정한 온도 범위를 벗어나는 경우, MEA의 역할 수행 능력을 떨어뜨리고, 연료 전지의 안정성을 보장할 수 없게 하며, 심한 경우 연료 전지를 손상시키는 결과를 초래한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 제조하기가 용이하고 가격이 저렴한 금속 소재의 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.

본 발명의 다른 목적은, 금속 소재의 세퍼레이터에 연료 전지로부터 발생하는 열을 방출시키기 위한 방열수단을 채용하여 연료 전지의 최적 운전 온도 조건을 유지시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며,

상기 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 방열부는 상기 막-전극 어셈블리의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 상기 세퍼레이터의 연장 부분으로서 구성된다.

상기 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 방열부는 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 부분에 연결 설치되는 방열판을 구비할 수도 있다. 이 경우 상기 방열부에는 장공(slit)을 형성하고 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 전기 발생부는 상기 세퍼레이터에 밀착 배치되어 이 세퍼레이터의 강성을 보강하는 보조 플레이트를 포함할 수도 있다. 이 경우 상기 보조 플레이트는 상기 방열부에 대응되는 부분에 장공을 형성할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 알루미늄, 구리, 철, 니켈 및 코발트 군에서 선택되는 적어도 1의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 세퍼레이터의 적어도 한 표면에 폴리머 또는 테프론 소재의 절연막을 코팅 형성하고 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 세퍼레이터를 산화 처리하여 이 세퍼레이터의 적어도 한 표면에 산화막을 형성할 수도 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 전기 발생부는 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 형성되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 더욱 포함한다. 이 경우 상기 단자부는 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터 사이에 위치하는 적어도 하나의 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)에 형성됨이 바람직하다.

상기 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 단자부는 상기 막-전극 어셈블리의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 상기 기체 확산층의 연장 부분으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite) 또는 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 기체 확산층은 상기 수소와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 실링부재를 구비한다. 이 경우 상기 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 기체 확산층의 가장자리 부분에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택은, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 단자부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함한다. 이 경우 상기 컨넥터는 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지고, 상기 방열부를 관통하여 상기 기체 확산층의 연장 부분 사이에 위치하도록 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 각각의 단자부를 실질적으로 절연시키는 제1 절연부를 포함한다.

상기 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되어 구성될 수도 있다. 이 경우 상기 제1,2 절연부는 폴리머 또는 테프론 소재로 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 일측의 기체 확산층에 밀착되어 수소 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 상기한 통로를 형성할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 금형 가공에 의하여 상기한 통로를 형성할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택은, 일측 세퍼레이터의 일면에 상기 수소 통로를 형성하고, 다른 일측 세퍼레이터의 일면에 산소 통로를 형성할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 하나의 세퍼레이터에 대하여 상기 수 소 통로를 일면에 형성하고 다른 일면에 산소 통로를 형성할 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 상기 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은 상기 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함할 수 있다. 그리고 상기 연료 공급원은 상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소를 발생시키고, 이 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함할 수도 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 냉각 매체를 상기 전기 발생부에 제공하여 이 전기 발생부에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉매 공급원을 포함한다. 이 경우 상기 냉매 공급원은 상기 전기 발생부로 냉각 공기를 공급하는 팬을 구비하고, 상기 팬 이 스택의 외형을 이루는 하우징에 설치될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 방열부는 상기 막-전극 어셈블리의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 상기 세퍼레이터의 연장 부분으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 방열부는 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 부분에 연결 설치되는 방열판을 구비할 수도 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 발생부는 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 형성되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 더욱 포함한다. 이 경우 상기 단자부는 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터 사이에 위치하는 적어도 하나의 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)에 형성됨이 바람직하다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 단자부는 상기 막-전극 어셈블리의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 상기 기체 확산층의 연장 부분으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 단자부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함한다. 이 경우 상기 컨넥터는 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지고, 상기 방열부를 관통하여 상기 기체 확산층의 연장 부분 사이에 위치하도록 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 각각의 단자부를 실질적으로 절연시키는 제1 절연부를 포함한다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되도록 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세퍼레이터는 금속 소재로 이루어짐이 바람직하다.

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 개략적으로 도시한 블록도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성된다.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체의 연료를 포함할 수 있다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 이하의 연료는 편의상 액체로 이루어진 연료로 정의한다.

그리고 본 시스템(100)은 수소와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.

이와 같은 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 상기한 연료로부터 수소를 발생시키고 이 수소를 스택(10)으로 공급하는 연료 공급원(30)과, 공기를 스택(10)으로 공급하는 산소 공급원(40)을 포함한다.

스택(10)은 연료 공급원(30)과 산소 공급원(40)에 연결 설치되어 이 연료 공급원(30)으로부터 상기 수소를 공급받고, 산소 공급원(40)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소와 공기 중에 함유된 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지(fuel cell)를 구성한다.

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 수소를 발생시키고 이 수소를 스택(10)으로 공급하는 개질기(35)를 포함한다.

그리고 산소 공급원(40)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 스택(10)으로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프(41)를 포함한다. 여기서 산소 공급원(40)은 위와 같은 공기 펌프(41)를 구비하는 것에 한정되지 않고, 통상적인 구조의 팬(fan)을 구비할 수도 있다.

상기 연료 공급원(30)에 있어 개질기(35)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소를 발생시키고, 이 수소에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기 구조를 갖는다. 부연 설명하면, 개질기(35)는 개 질 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 가스를 발생시킨다. 그리고 개질기(35)는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 수소에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다. 이러한 개질기(35)는 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 연료 전지 시스템에 채용되는 개질기 구성으로 이루어질 수 있으므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.

대안으로서, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)은 연료를 직접 스택(10)으로 공급하여 이 연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 산화형 연료 전지 방식의 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템 달리, 개질기(35)를 필요로 하지 않는다. 그러나 이하에서는 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 적용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 하여 설명한다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 스택(10)을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 사시도이고, 도 4는 도 2의 결합 단면 구성도이다.

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 본 실시예에서는 위와 같은 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고 이들을 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부(11)의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.

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 애노드 전극은 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극측으로부터 받은 전자, 수소 이온 및 공기 중에 함유된 산소를 반응시켜 물을 생성하는 기능을 하게 된다.

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 연료 통로로서, MEA(12)의 애노드 전극 측에 위치하여 개질기(35: 도 1)로부터 공급되는 수소를 애노드 전극으로 공급하는 기능을 하게 된다. 그리고 공기 통로(13b)는 산소 통로서, MEA(12)의 캐소드 전극 측에 위치하여 공기 펌프(41: 도 1)로부터 공급되는 공기 중의 산소를 캐소드 전극으로 공급하는 기능을 하게 된다.

본 발명에 있어 상기한 세퍼레이터(13)는 도면에 도시한 바와 같이, 상기 수소 통로(13a) 및 공기 통로(13b)가 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되고 있으며, 하나의 세퍼레이터(13)에 대해 일면에 수소 통로(13a)를 형성하고 다른 일면에 공기 통로(13b)를 형성하고 있다.

본 발명에 있어 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.

바람직하게, 본 실시예에 따른 세퍼레이터(13)는 전체의 형상에 대응하는 한 쌍의 프레스 기구를 이용하여 금속 플레이트를 프레스 성형하는 방식으로 제작될 수 있다. 그리고 상기 세퍼레이터(13)는 금형을 이용한 금속 소재의 사출 성형 또는 다이캐스팅에 의하여 제작될 수도 있다.

그리고 각각의 세퍼레이터(13)와 MEA(12) 사이에는 MEA(12)의 양 전극으로 수소와 공기를 확산시켜 주고, 애노드 전극에서 생성되는 전자를 뒤에서 더욱 설명하는 별도의 단자를 통해 이웃하는 MEA(12)의 캐소드 전극으로 원활히 이동시키기 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer)(14a, 14b)을 구비하고 있다. 이러한 기체 확산층(14a, 14b)은 통상적으로 카본 합성물(composite), 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth)로 형성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a)를 통해 MEA(12)의 애노드 전극으로 수소가 공급되는 반면, 세퍼레이터(13)의 공기 통로(13b)를 통해 캐소드 전극으로 산소를 함유한 공기가 공급된다. 따라서 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응을 통해 수소를 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 발생시킨다. 그리고 상기 캐소드 전극에서는 전해질막을 통해 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온과 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응을 통해 소정 온도의 열과 수분을 발생시킨다. 이 때 상기한 열은 MEA(12)를 건조시켜 스택(10)의 성능을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다.

한편, 위와 같은 과정을 거치는 동안, 본 발명에 의한 스택(10)에 있어 세퍼레이터(13)가 금속 소재로 이루어져 있기 때문에, 이 세퍼레이터(13)는 본 시스템(100)을 가동시키자 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.

이에 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 냉각 매체(이하에서는 "냉매" 라고 한다.)를 스택(10)에 제공하여 전기 발생부(11)에서 발생하는 열을 냉각시키고, 기체 확산층(14a, 14b)을 통해 MEA(12)에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 시스템(100)은 상기 전기 발생부(11)에서 발생하는 열을 방열시키는 방열부(50)와, 전술한 바 있는 냉매를 스택(10)으로 공급하여 방열부(50)를 통해 방출되는 열을 냉각시키는 냉매 공급원(60)과, 전기 발생부(11)의 세퍼레이터 (13)와 MEA(12) 사이에 형성되어 이 MEA(12)에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부(20)를 포함하고 있다.

상기 방열부(50)는 MEA(12)의 가장자리 외측으로 연장 형성되는 세퍼레이터(13)의 가장자리측 연장 부분(51)으로 구성된다. 상기 연장 부분(51)은 도 5에 도시한 세퍼레이터(13)의 평면 구성도에서와 같이, 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 형성하는 활성 영역(13c)(도면에 가상선으로 도시)을 기준으로, 이 활성 영역(13c)의 가장자리단에 일체로 연장 형성된다. 이 때 상기 연장 부분(51)은 MEA(12)의 가장자리단을 기준으로 최소한 MEA(12)의 어느 한 쪽 가장자리단 외측으로 연장 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 세퍼레이터(13)의 가장자리 부분에 상응하는 상기 연장 부분(51)에는 뒤에서 더욱 설명하는 컨넥터(23)를 관통시키기 위한 장공(52)을 형성하고 있다. 이 때 상기 장공(52)은 세퍼레이터(13)의 가장자리 방향으로 길게 형성되는 것이 바람직하다.

따라서 본 실시예에 의하면, 세퍼레이터(13)가 금속 소재로 형성되고 상기 연장 부분(51)이 전체 전기 발생부(11)에 대하여 MEA(12)의 외측으로 돌출 형성됨에 따라, MEA(12)의 캐소드 전극에서 수소 이온과 산소의 환원 반응에 의해 발생되는 열은 상기한 연장 부분(51)을 통하여 전기 발생부(11)의 외측으로 방출되게 된다.

상기 냉매 공급원(60)은 냉매를 흡입하여 이 냉매를 전기 발생부(11)로 공급하는 구조로 이루어지며, 바람직하게는 소정의 회전력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 전기 발생부(11)로 공급하는 팬(61)을 포함한다. 이 때 상기 팬(61)은 도 4에 가상선으로 도시한 바와 같이, 스택(10) 전체를 감싸는 하우징(63)에 설치되어 각 전기 발생부(11)의 방열부(50)로 공기를 분출시키는 것이 바람직하다.

그리고 본 실시예에 의한 상기 단자부(20)는 기체 확산층(14a, 14b)을 통하여 전기 발생부(11) 간의 전기적인 연결이 가능하도록 구비된다. 상기 단자부(20)는 기체 확산층(14a, 14b)에 일체로 형성되어 MEA(12)의 가장자리 외측으로 연장 형성되는 이 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)을 의미한다. 즉, 상기 단자부(20)는 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)을 통한 전기적인 연결에 의하여 MEA(12)에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 한다. 이 때 상기 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)은 MEA(12)의 가장자리단을 기준으로 최소한 MEA(12)의 어느 한 쪽 가장자리단 외측으로 연장 형성되는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명의 도면에서는 상기한 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)이 MEA(12)의 전체 가장자리단 외측으로 연장 형성되는 예를 도시하고 있다.

도 6은 도 2에 도시한 기체 확산층의 평면 구성도로서, 상기와 같은 구조로 이루어진 기체 확산층(14a, 14b)은 MEA(12: 도 4)의 가장자리단에 상응하는 부분에 실링부재(19)를 형성하고 있다. 이 실링부재(19)는 세퍼레이터(13: 도 4)의 수소 통로(13a: 도 4)를 통해 공급되는 수소와 세퍼레이터(13)의 공기 통로(13b: 도 4)를 통해 공급되는 공기가 이 기체 확산층(14a, 14b)을 통해 확산되는 경우, 이 수소와 공기가 MEA(12)의 외측으로 확산되면서 전기 발생부(11: 도 4)의 외부로 새어 나가는 것을 저지하는 기능을 하게 된다. 그리고 상기 실링부재(19)는 기체 확산층(14a, 14b)의 전체 영역에 대해 MEA(12)에 상응하는 부분과 전술한 바 있는 연장 부분(A)을 구획하는 기능도 하게 된다. 이러한 실링부재(19)는 MEA(12)의 가장자리단에 상응하는 위치에 형성되고, 테프론, 폴리이미드 등과 같은 폴리머 소재 또는 고무 소재로 이루어지며, 상기한 소재가 기체 확산층(14a, 14b)에 함침 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 위와 같은 구조를 갖는 전기 발생부(11)의 집합체 구조에 의한 본 발명에 따른 스택(10)은 각각의 전기 발생부(11)에 대하여 상기한 단자부(20)를 실질적으로 절연시키는 제1 절연부(21)를 구비하고 있다.

바람직하게, 상기 제1 절연부(21)는 각각의 전기 발생부(11)에 대해 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A) 사이에 형성될 수 있다. 이는 하나의 전기 발생부(11)에 대하여 MEA(12)의 애노드 전극 측에 위치하는 기체 확산층(14a)과 캐소드 전극 측에 위치하는 기체 확산층(14a)이 다음에 설명하는 컨넥터(23)에 의한 전자의 흐름으로 인해 전위차를 갖는 (+), (-)의 단자 역할을 하기 때문에, 이러한 단자의 쇼트를 방지하기 위함이다.

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.

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.

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 기체 확산층(14a, 14b)과 다른 일측 전기 발생부(11)의 기체 확산층(14a, 14b)을 전기적으로 연결시키는 전도체의 기능을 하게 된다.

이를 위한 상기 컨넥터(23)는 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 형성될 수 있으며, 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A) 사이 즉, 각각의 전기 발생부(11) 사이에 위치하면서 세퍼레이터(13)의 연장 부분(51)에 형성된 장공(52)을 관통하여 설치될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 컨넥터(23)는 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 어느 하나의 전기 발생부(11)의 애노드 전극측 기체 확산층(14a)과 다른 하나의 전기 발생부(11)의 캐소드 전극측 기체 확산층(14b)의 연장 부분(A) 사이에 설치되고, 상기 일측 전기 발생부(11)의 캐소드 전극측 기체 확산층(14b)과 상기 다른 일측 전기 발생부(11)의 애노드 전극측 기체 확산층(14a)의 연장 부분(A)사이에 설치되어 상기한 기체 확산층(14a, 14b)을 전기적으로 연결할 수 있다.

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, 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)과 집전 플레이트(26) 사이에는 전술한 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.

이에 더하여 상기 집전 플레이트(26)에는 수소를 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a)로 공급하기 위한 제1 주입부(26a)와, 공기를 세퍼레이터(13)의 공기 통로(13b)로 공급하기 위한 제2 주입부(26b)와, 전기 발생부(11)에서 반응하고 남은 수소를 배출시키기 위한 제1 배출부(26c)와, 상기 전기 발생부(11)에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 수분과 수소와 반응하고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(26d)를 형성하고 있다. 따라서 상기한 집전 플레이트(26) 사이에 위치하는 전기 발생부(11)의 기체 확산층(14a, 14b) 및 세퍼레이터(13)에는 전술한 바와 같은 제1,2 주입부(26a, 26b) 및 제1,2 배출부(26c, 26d)에 연통하는 구멍을 각각 형성하고 있다. 이 때 상기 기체 확산층(14a, 14b)에 형성되는 상기 구멍의 내주면에는 테프론, 폴리이미드 등과 같은 폴리머 소재 또는 고무 소재로 이루어지는 튜브 형태의 실링부재(도시하지 않음)를 형성하고 있다. 이러한 실링부재는 수소와 공기가 상기 구멍을 통과할 때, 이 수소와 공기가 상기 내주면을 통하여 기체 확산층(14a, 14b) 전반으로 확산되는 것을 저지하는 기능을 하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

우선, 연료 펌프(33)를 가동시켜 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 개질기(35)로 공급한다. 그러면 개질기(35)는 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소를 발생시키고, 상기한 수소에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

이어서, 연료 펌프(33)의 펌핑력을 이용하여 상기 수소를 스택(10)의 제1 주입부(26a)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(41)를 가동시켜 공기를 상기 스택(10)의 제2 주입부(26b)로 공급한다.

따라서 상기 수소는 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a)를 통해 기체 확산층(14a)으로 공급되며, 이 기체 확산층(14a)을 통해 MEA(12)의 애노드 전극으로 확산되게 된다. 그리고 상기 공기는 세퍼레이터(13)의 공기 통로(13b)를 통해 기체 확산층(14b)으로 공급되며, 이 기체 확산층(14b)을 통해 MEA(12)의 캐소드 전극으로 확산되게 된다.

이로써 상기 MEA(12)의 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소를 전자와 수소 이온(프로톤)으로 분해한다. 여기서 상기 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 기체 확산층(14a, 14b)을 통하여 이웃하는 MEA(12)의 캐소드 전극으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다.

이와 같은 작용을 더욱 구체적으로 설명하면, 각각의 전기 발생부(11)에 대해 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)이 절연된 상태를 유지하고, 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)이 컨넥터(23)를 통해 직렬로 연결되어 있기 때문에, 상기 컨넥터(23)를 통해 전술한 바 있는 전 자가 일측 전기 발생부(11)의 애노드 전극측 기체 확산층(14a)에서 다른 일측 전기 발생부(11)의 캐소드 전극측 기체 확산층(14b)으로 이동하게 된다.

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.

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 기체 확산층(14a, 14b)의 연장 부분(A)을 통해 전자의 흐름을 가능하게 할 수 있다.

한편, MEA(12)의 캐소드 전극에서는 전해질막을 통하여 이동된 상기 수소 이온과 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응을 통해 소정 온도의 열을 발생시킨다. 이 열은, 세퍼레이터(13)가 금속 소재로 이루어지고 이 세퍼레이터(13)의 연장 부분(A) 즉, 방열부(50)가 전체 스택(10)의 가장자리 외측으로 돌출 형성되고 있기 때문에, 세퍼레이터(13)의 몸체로 전달되고 상기 방열부(50)를 통하여 스택(10)의 외측으로 방출되게 된다. 이 때 냉매 공급원(60)의 팬(61)은 냉각 공기를 스택(10)의 측부 쪽으로 분출하는 상태에 있다.

이로써 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)은 팬(61)으로부터 공급되는 냉각 공기에 의하여 상기 방열부(50)를 통해 방출되는 열을 냉각시킬 수 있게 된다.

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.

구체적으로, 상기 세퍼레이터(43)는 하나의 전기 발생부(11)에 대하여 일측 기체 확산층(14a)에 밀착되는 일면에 수소 통로(43a)를 형성하고, 다른 기체 확산층(14b)에 밀착되는 일면에 공기 통로(43b)를 형성한다. 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.

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.

상기한 제2 절연부(25)는, 세퍼레이터(43)가 금속 소재로 형성되고 전기 발생부(11)의 전기 발생시 수분, 열 및 산소에 의해 산화 부식되어 전기 저항이 증대되기 때문에, 각각의 전기 발생부(11)에서 발생하는 일부의 전류가 기체 확산층 (14a, 14b)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.

본 실시예에 의한 스택(10)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도면을 참고하면, 이 경우는 서로 이웃하는 전기 발생부(11A)에 대하여 MEA(12)와 세퍼레이터(13) 사이에 위치하는 이중의 기체 확산층(14a, 14b)(15a, 15b)을 통해 전기 발생부(11A) 간의 전기적인 연결을 가능케 하는 스택(10A)을 구성한다. 이 때 본 실시예에 의한 상기 스택(10A)은 도면에서와 같이, 전기 제1 실시예의 구조를 기본으로 하고 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 전기 제2 실시예에서와 같은 구조를 기본으로 할 수도 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 스택(10A)은 각각의 전기 발생부(11)에 대하여 MEA(12)의 양면에 각각 밀착 배치되는 제1 기체 확산층(14a, 14b)과, 상기 제1 기체 확산층(14a, 14b)에 각각 밀착 배치되는 제2 기체 확산층(15a, 15b)을 구비한다. 이 때 상기 제2 기체 확산층(15a, 15b)은 그 가장자리 부분이 제1 기체 확산층 (14a, 14b)의 가장자리단 외측으로 연장되어, 이 연장 부분(A)을 통하여 전기 발생부(11) 간의 전기적인 연결을 가능케 하는 단자부(20A)를 형성한다.

본 실시예에 의한 스택(10A)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

도면을 참고하면, 이 경우는 각각의 전기 발생부(11B)에 대하여 세퍼레이터(13)의 강성을 더욱 보강하기 위해 이 세퍼레이터(13)에 보조 플레이트(70)를 밀착 배치하여 이루어지는 스택(10B)를 구성한다. 이 때 본 실시예에 의한 상기 스택(10B)은 도면에서와 같이, 전기 제2 실시예의 구조를 기본으로 하고 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 전기 제1 실시예에서와 같은 구조를 기본으로 할 수도 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 보조 플레이트(70)는, 세퍼레이터(13)가 얇은 금속 소재로 이루어지기 때문에, 이 세퍼레이터(13)의 강성을 보강하기 위한 금속 소재의 보강 플레이트로서, 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 형성하는 면에 밀착 배치된다. 이 때 보조 플레이트(70)에는 상기한 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)를 실질적으로 개방시키기 위해 이 수소 통로(13a)와 공기 통로(13b)에 상응하는 개방부(71)를 형성하고 있다. 그리고 상기 보조 플레이트(70)에는 세퍼레이터(13)의 방열부(50)에 마련된 장공(52)과 연통하는 또 다른 장공(72)을 형성하고 있다.

본 실시예에 의한 스택(10B)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제2 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

도면을 참고하면, 이 경우는 세퍼레이터 몸체(13f)의 가장자리 부분에 별도의 방열부(50A) 즉, 방열판(51A)이 연결 설치되는 세퍼레이터(13A)를 구성한다. 여기서 상기 세퍼레이터 몸체(13f)는 수소 통로(13a) 및/또는 공기 통로(13b)를 형성하고 있으며, 도면에 가상선으로 도시한 바와 같이, 이 세퍼레이터 몸체(13f)의 적어도 한 가장자리단에 상기 방열판(51A)이 연결 설치되고 있다. 이 때 상기 방열판(51A)은 용접에 의하여 세퍼레이터 몸체(13f)의 가장자리단에 융착되는 것이 바람직하다.

도면을 참고하면, 이 경우는 세퍼레이터 몸체(13f)의 표면에 절연막(14)을 코팅 형성하고 있는 세퍼레이터(13B)를 구성할 수 있다. 이러한 절연막(14)은 세퍼레이터의 몸체(13f)가 금속 소재로 이루어지기 때문에, 이 몸체의 부식에 의한 전기 저항 증대를 억제시키는 기능을 하게 된다. 이 때 상기 절연막(14)은 폴리머 또는 테프론 소재로 형성될 수 있다.

대안으로서, 상기 세퍼레이터(13B)는 세퍼레이터 몸체(13f)의 표면에 이 세퍼레이터 몸체(13f)가 산화 처리되어 이루어지는 산화막(16)을 형성할 수도 있다.

본 변형예의 도면에서 상기 세퍼레이터(13B)는 전기 제1 실시예의 구조를 기본으로 하고 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 전기 제2 실시예에서와 같은 구조를 기본으로 할 수도 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.

상술한 바와 같은 본 발명에 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.

또한, 본 발명에 의하면, 금속으로 이루어지는 세퍼레이터가 스택의 전기 발생시 열, 수분 및 산소에 의해 부식되더라도 기체 확산층을 통해 전자의 흐름이 가능하므로, 전체적인 스택의 성능이 저하되거나 수명이 단축되는 등의 염려가 없다.

또한, 본 발명에 의하면, 금속 소재의 세퍼레이터 가장자리 부분에 방열부를 돌출 형성함에 따라, 이 방열부를 통해 전기 발생부에서 발생하는 열을 용이하게 방열시킬 수 있다. 따라서 냉각 공기를 방열부에 제공하여 상기한 열을 냉각시키게 되므로, 스택의 최적 운전 온도를 유지할 수 있게 되어 결과적으로는 전체 스택의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims

수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부

를 포함하며,

상기 전기 발생부는,

막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)의 양면에 세퍼레이터(Separator)를 배치하여 구성되고,

상기 세퍼레이터에 형성되어 수소와 산소의 반응에 의하여 발생되는 열을 방출시키는 방열부를 포함하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 방열부는 상기 막-전극 어셈블리의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 상기 세퍼레이터의 연장 부분인 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 방열부는 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 부분에 연결 설치되는 방열판을 구비하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항 내지 제 3 항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

상기 방열부에 장공(slit)을 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 전기 발생부는 상기 세퍼레이터에 밀착 배치되어 이 세퍼레이터의 강성을 보강하는 보조 플레이트를 포함하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 5 항에 있어서,

상기 보조 플레이트는 상기 방열부에 대응되는 부분에 장공을 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 알루미늄, 구리, 철, 니켈 및 코발트 군에서 선택되는 적어도 1의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로서 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 7 항에 있어서,

상기 세퍼레이터의 적어도 한 표면에 폴리머 또는 테프론 소재의 절연막을 코팅 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 7 항에 있어서,

상기 세퍼레이터를 산화 처리하여 이 세퍼레이터의 적어도 한 표면에 산화막을 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 전기 발생부는, 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 형성되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 더욱 포함하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 10 항에 있어서,

상기 단자부는 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터 사이에 위치하는 적어도 하나의 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)에 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 11 항에 있어서,

상기 단자부가 상기 막-전극 어셈블리의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 상기 기체 확산층의 연장 부분인 연료 전지 시스템용 스택.
제 11 항에 있어서,

상기 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite) 또는 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로스(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나로 이 루어지는 연료 전지 시스템용 스택.
제 11 항에 있어서,

상기 기체 확산층은 상기 수소와 산소가 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 실링부재를 구비하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 14 항에 있어서,

상기 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 기체 확산층의 가장자리 부분에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 10 항에 있어서,

서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 단자부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 16 항에 있어서,

상기 컨넥터가 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지고, 상기 방열부를 관통하여 상기 기체 확산층의 연장 부분 사이에 위치하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 10 항에 있어서,

상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 각각의 단자부를 실질적으로 절연시키는 제1 절연부를 포함하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,

상기 제1,2 절연부는 폴리머 또는 테프론 소재로 형성되는 연료 전지 시스템용 스택.
제 11 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 상기 일측의 기체 확산층에 밀착되어 수소 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 21 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 상기한 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 21 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 금형 가공에 의하여 상기한 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 21 항에 있어서,

일측 세퍼레이터의 일면에 상기 수소 통로를 형성하고, 다른 일측 세퍼레이터의 일면에 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
제 21 항에 있어서,

상기 하나의 세퍼레이터에 대하여 상기 수소 통로를 일면에 형성하고 다른 일면에 산소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템용 스택.
수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;

상기 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및

상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원

을 포함하며,

상기 전기 발생부는,

막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)의 양면에 세퍼레이터 (Separator)를 배치하여 구성되고,

상기 세퍼레이터에 형성되어 수소와 산소의 반응에 의하여 발생되는 열을 방출시키는 방열부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 26 항에 있어서,

상기 연료 공급원은,

상기 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크; 및

상기 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 27 항에 있어서,

상기 연료 공급원은,

상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소를 발생시키고, 이 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 26 항에 있어서,

상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 26 항에 있어서,

상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
제 26 항에 있어서,

냉각 매체를 상기 전기 발생부에 제공하여 이 전기 발생부에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉매 공급원을 포함하는 연료 전지 시스템.
제 31 항에 있어서,

상기 냉매 공급원은 상기 전기 발생부로 냉각 공기를 공급하는 팬을 구비하고, 상기 팬이 스택의 외형을 이루는 하우징에 설치되는 연료 전지 시스템.
제 26 항에 있어서,

상기 방열부는 상기 막-전극 어셈블리의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 상기 세퍼레이터의 연장 부분인 연료 전지 시스템.
제 26 항에 있어서,

상기 방열부는 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 부분에 연결 설치되는 방열판을 구비하는 연료 전지 시스템.
제 26 항에 있어서,

상기 전기 발생부는 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 형성되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 더욱 포함하는 연료 전지 시스템.
제 35 항에 있어서,

상기 단자부는 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터 사이에 위치하는 적어도 하나의 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)에 형성되는 연료 전지 시스템.
제 36 항에 있어서,

상기 단자부가 상기 막-전극 어셈블리의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 연장 형성되는 상기 기체 확산층의 연장 부분인 연료 전지 시스템.
제 35 항에 있어서,

서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 단자부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 36 항에 있어서,

상기 컨넥터가 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지고, 상기 방열부를 관통하여 상기 기체 확산층의 연장 부분 사이에 위치하는 연료 전지 시스템.
제 26 항에 있어서,

상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 각각의 단자부를 실질적으로 절연시키는 제1 절연부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 26 항에 있어서,

상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제2 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되는 연료 전지 시스템.
제 26 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 금속 소재로 이루어지는 연료 전지 시스템.