KR20110014455A - 내부 막가습기를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부 막가습기를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 막전극어셈블리와 상기 막전극어셈블리의 양측에 배치되는 분리판을 포함하는 단위셀이 복수개 적층된 연료전지 스택에 있어서, 상기 복수개 적층된 연료전지 스택의 최외곽에 위치하는 2개의 분리판 중 적어도 하나의 분리판에는 반응가스의 이동통로를 제공하는 유로가 관통형성되고, 상기 유로가 관통형성된 분리판에 배치되며, 상기 관통형성된 유로를 지나는 배출가스와의 수분교환을 통해 상기 연료전지 스택에 공급되는 반응가스를 가습하는 내부 막가습기를 포함하며, 연료전지 스택에서의 배출가스를 통해 연료전지 스택에 공급되는 반응가스를 가습시키므로, 반응가스의 상대습도를 더욱 높여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

내부 막가습기를 포함하는 연료전지 스택{FUEL CELL STACK WITH INTERNAL MEMBRANE HUMIDIFIER}
본 발명은 내부 막가습기를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택 내부에서 발생되는 배출가스를 이용하여 반응가스를 가습시켜 가습 효율을 더욱 향상시키는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류전류를 생산하는 전기화학적 발전설비로서, 천연가스, 프로판, 나프타, 메탄올 등의 다양한 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 활용할 수 있는 고효율, 고출력, 무공해, 무소음 등의 특징을 갖는 환경친화적 차세대 핵심발전기술이다.
연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템을 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 공기 중의 산소와 연료인 수소의 전기화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
한편, 연료전지시스템에서는 원활한 화학반응을 위해 반응가스(수소, 공기)의 가습이 필요하다. 통상적으로 공기는 중공사막이나 필름형태의 막을 이용하여 물을 직접 공급하거나 연료전지 스택에서 배출되는 과포화 가습공기의 수분을 외기인 건조공기와 교환시켜 가습되고, 수소는 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 수소를 재순환시켜 유입되는 수소와 혼합함으로써 가습된다.
도 1은 종래의 연료전지용 가습장치에 의해 반응가스가 공급되는 상태를 도시한 도면으로서, 외기의 건조공기를 블로워(blower)(1)로 강제 송풍하여 막가습기(2)에 통과시키고, 연료전지 스택(3)의 출구로부터 배출된 물이 포함된 과포화 가습공기를 막가습기에 통과시켜 과포화 가습공기와 건조공기 간의 수분교환에 의해 건조공기의 가습이 이루어지며, 이와 같이 가습된 공기가 연료전지 스택(3)에 공급된다.
또한, 연료전지 스택(3)의 출구를 통과한 미반응 가습 수소는 재순환 블로워(4)를 통해 강제 송풍되어 수소탱크(5)로부터 공급되는 수소와 혼합되며, 이를 통해 가습된 수소가 연료전지 스택(3)의 입구로 공급된다.
연료전지의 운전 중에 성능에 가장 직접적인 영향을 미치는 요인 중 하나는 연료전지의 핵심 구성요소인 막전극어셈블리(Membrane Electrode Assembly, MEA)의 전해질막과 촉매층 내의 이오노머(ionomer)에 일정량 이상의 수분을 공급하여 함수율을 유지시킴으로써, 전해질막과 이오노머 자체가 보유하고 있는 이온전도도의 최 대 성능을 얻는 것이다.
여기서, 막가습기(2)의 역할은 연료전지 스택(3)에서 고온으로 배출되는 미반응가스에 포함된 수분과 열을 막 표면을 통해 연료전지 스택에 공급되는 상온의 건조한 반응가스에 공급함으로써, 연료전지 스택의 가습과 온도유지를 달성하는 것이다.
종래의 막가습기를 이용한 공기의 가습이나 미반응 수소와의 혼합을 통해서 가습이 이루어지는 수소의 가습은 모두 연료전지 스택의 외부에서 이루어지므로, 가습된 공기 및 가습된 수소의 온도는 연료전지 스택의 출구로부터 배출된 공기 및 수소의 온도보다 낮을 수 밖에 없다.
즉, 상술한 가습 과정을 거친 반응가스(수소, 공기)의 온도는 대략 55℃ 인데, 이 반응가스가 대략 80℃의 운전온도를 유지하는 연료전지 스택에 유입되면 온도의 상승으로 인해 상대습도가 대략 55% 정도로 감소하는 문제점이 생긴다.
따라서, 본 발명에서는 연료전지 스택 내부에서 발생되는 배출가스를 이용하여 반응가스를 가습시킴으로써 반응가스의 상대습도를 더욱 높여 성능이 향상된 연료전지를 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 연료전지 스택 내부에 설치되는 내부 막가습기를 이용하여 유입되는 반응가스의 상대습도를 더욱 높임과 동시에, 연료전지에서 발생되는 플러딩 현상을 억제하여 성능이 더욱 향상된 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 과제를 달성하기 위하여,
막전극어셈블리와 상기 막전극어셈블리의 양측에 배치되는 분리판을 포함하는 단위셀이 복수개 적층된 연료전지 스택에 있어서,
상기 복수개 적층된 연료전지 스택의 최외곽에 위치하는 2개의 분리판 중 적어도 하나의 분리판에는 반응가스의 이동통로를 제공하는 유로가 관통형성되고,
상기 유로가 관통형성된 분리판에 배치되며, 상기 관통형성된 유로를 지나는 배출가스와의 수분교환을 통해 상기 연료전지 스택에 공급되는 반응가스를 가습하는 내부 막가습기를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면,
반응가스의 입출구가 형성된 중앙분배부와, 막전극어셈블리 및 상기 막전극어셈블리의 양측에 배치되는 분리판을 포함하는 단위셀이 상기 중앙분배부의 양측으로 복수개 적층된 연료전지 스택에 있어서,
상기 복수개 적층된 연료전지 스택의 상기 중앙분배부와 가장 근접하게 위치 하는 2개의 분리판 중 적어도 하나의 분리판에는 반응가스의 이동통로를 제공하는 유로가 관통형성되고,
유로가 관통형성된 상기 분리판과 상기 중앙분배부 사이에 배치되며, 상기 관통형성된 유로를 지나는 배출가스와의 수분교환을 통해 상기 연료전지 스택에 공급되는 반응가스를 가습하는 내부 막가습기를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.
여기서, 상기 내부 막가습기는, 상기 관통형성된 유로가 구비된 분리판의 상기 막전극어셈블리를 향한 반대면에 배치되는 가습막 및 상기 반응가스가 상기 가습막을 지나면서 상기 연료전지 스택에 공급되도록 상기 반응가스를 안내하는 가습포트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가습막은 나피온으로 제조된 것이 바람직하다.
또한, 상기 가습포트는 상기 반응가스가 상기 가습막과 접촉하기 위한 이동통로를 제공하는 가습유로부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응가스는 공기이고, 상기 가습포트의 토출부는 상기 연료전지 스택의 공기유입구에 연통되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응가스는 수소이고, 상기 가습포트의 토출부는 상기 연료전지 스택의 수소유입구에 연통되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응가스는 공기 및 수소이고, 상기 내부 막가습기는 상기 연료전지 스택의 최외곽에 위치하는 2개의 분리판에 각각 구비되고, 상기 2개의 내부 막가습기의 가습포트의 토출부는 상기 연료전지 스택의 공기유입구 및 수소유입구에 각각 연통되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응가스는 공기 및 수소이고, 상기 내부 막가습기는 상기 중앙분배부와 가장 근접하게 위치하는 2개의 분리판에 각각 구비되고, 상기 2개의 내부 막가습기의 가습포트의 토출부는 상기 연료전지 스택의 공기유입구 및 수소유입구에 각각 연통되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 내부 막가습기를 이용하여 연료전지 스택에서 발생되는 배출가스를 이용하여 연료전지 스택에 공급되는 반응가스를 가습시키므로, 반응가스의 상대습도를 더욱 높여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 이러한 가습 과정에서 상기 내부 막가습기가 연료전지 스택에서 발생되는 수분을 흡수할 수 있으므로, 플러딩 현상에 의한 스택의 성능 저하를 방지할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 일반적인 연료전지 스택의 사시도이고, 도 3(a)는 그 분해 사시도이며, 도 3(b)는 A-A의 개략 단면도이다.
이 연료전지 스택(10)은 공기와 연료로서의 수소를 제공받아 공기 중에 함유된 산소의 환원반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)로 구성될 수 있다.
연료전지 스택(10)은 막전극어셈블리(11)와 분리판(15)을 포함하여 형성된 단위셀이 복수개 적층되어 형성된다. 또한, 연료전지 스택(10)은 한쌍의 엔드 플레이트(16a, 16b)를 포함하여 형성된다. 연료전지 스택(10)은 공기공급수단(미도시)에 의하여 공급되는 공기와 수소공급수단(미도시)에 의하여 공급되는 수소의 화학 반응에 의하여 전기 에너지를 생성한다.
반응가스(수소 및 공기)의 입출구(40)는 도 2(a)에서와 같이 한쌍의 엔드 플레이트(16a, 16b)에 형성되거나, 도 2(b)에서와 같이 연료전지 스택의 중앙에 위치한 중앙분배부(18)에 형성될 수 있다. 중앙분배부(18)가 구비된 연료전지 스택은 상기 중앙분배부의 양측으로 단위셀이 복수개 적층되어 있다.
연료전지 스택(10)은 막전극어셈블리(11)와 분리판(15)이 교대로 적층되며, 연료전지 스택의 최외곽에 엔드 플레이트(16a, 16b)가 적층되어 서로 밀착되어 형성된다. 연료전지 스택(10)은 체결봉(19)과 같은 체결수단을 체결공(47)에 삽입 고정하여 압착 결합될 수 있다.
연료전지 스택(10)의 내부구조는 반응가스의 입출구의 배치 위치에 관계없이 실질적으로 동일하기 때문에, 이하에서는 도 2(a)에 도시된 연료전지 스택을 기준으로 설명하기로 한다.
막전극어셈블리(11)는 전해질막(12)과, 상기 전해질막(12)의 양면에 각각 형성되는 캐소드 전극(13) 및 애노드 전극(14)을 포함하여 형성된다. 캐소드 전극(13)은 공기의 공급 및 확산을 위한 공기 확산층과 공기의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층을 포함한다. 또한, 애노드 전극(14)은 수소의 공급 및 확산을 위한 수소 확산층과 수소의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층을 포함한다.
연료전지 스택의 내부에 위치하는 분리판(15)은 그 양면에 수소 또는 공기의 이동통로를 제공하는 유로(17)를 포함한다. 또한, 분리판(15)은 수소 또는 공기가 흐르는 유입구(21, 24) 및 유출구(23, 26)와, 냉각수가 흐르는 냉각수유입구(22) 및 냉각수유출구(25)를 포함하여 형성된다. 유로(17)는 상기 유입구(21, 24) 및 유출구(23, 26)와 연통되도록 형성되어, 공기공급구(41)에서 공급되어 공기배출구(46)로 배출되는 공기만이 통과되기 위한 공기유로 또는 수소공급구(44)에서 공급되어 수소배출구(43)로 배출되는 수소만이 통과되기 위한 수소유로가 될 수 있다. 여기서, 공기공급구(41), 공기배출구(46), 수소공급구(44), 수소배출구(43)의 위치는 상술한 위치에 한정되지 않으며, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 변경될 수 있다. 여기서, 설명되지 않은 도면부호 "42" 및 "43"은 각각 냉각수공급구 및 냉각수배출구를 지칭한다.
한편, 연료전지 스택(10)의 최외곽에 위치하는 분리판(15)은 그 일면이 엔드 플레이트(16a, 16b)와 접촉하므로, 연료전지 스택(10)의 내부에 위치하는 분리판과 달리 한면에만 유로가 형성되어 있다.
막전극어셈블리(11) 역시 수소 또는 공기가 흐르는 유입구(31, 34) 및 유출구(33, 36), 냉각수가 흐르는 냉각수유입구(32) 및 냉각수유출구(35)가 형성되어 있다.
즉, 분리판과 막전극어셈블리에 형성된 유입구, 유출구, 냉각수유입구, 냉각수유출구는 서로 연통되어 연료전지 스택의 공기유입구, 공기유출구, 수소유입구, 수소유출구, 냉각수유입구, 냉각수유출구를 형성하며, 이들이 연료전지 스택의 매 니폴드를 구성한다.
이와 같이 구성되는 연료전지 스택(10)의 최외곽 단위셀은 공기공급구 및 수소공급구와 너무 가깝거나 너무 멀리 위치하기 때문에 수소 및 공기가 충분히 공급되지 않는다. 나아가, 최외곽 단위셀에서는 엔드 플레이트(16a, 16b)와의 접촉으로 인해 온도가 낮아져 수분이 쉽게 생성되는 플러딩(flooding) 현상이 발생되므로, 성능의 저하가 심하고 출력이 낮아지는 문제점이 있다. 이와 같은 플러딩 현상은 반응가스의 입출구가 중앙에 위치한 경우에도 동일하게 발생된다.
본 발명에서는 연료전지 스택의 최외곽 분리판과 엔드 플레이트 사이에 또는 반응가스 입출구가 형성된 중앙분배부와 이에 가장 근접한 분리판 사이에 막가습기를 구비함으로써 상술한 플러딩 현상을 방지하면서 동시에 연료전지 스택에 공급되는 반응가스(수소 및 공기)를 가습시키고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 막가습기가 구비된 연료전지 스택(100)의 일부 분해 사시도이다.
본 발명에 따른 내부 막가습기(50)는 연료전지 스택의 최외곽에 위치하는 2개의 분리판 중 적어도 하나의 분리판(15')에 배치될 수 있다. 도 4는 최외곽에 위치하는 2개의 분리판 중 한쪽의 분리판(15')만을 도시하고 있지만, 다른쪽의 분리판에도 도 4에 도시된 것과 대칭되게 내부 막가습기가 배치될 수 있다.
즉, 전기화학반응에 사용되는 반응가스(수소 및 공기) 중 수소 또는 공기의 가습을 위해서 1개의 내부 막가습기(50)가 배치될 수 있으며, 수소 및 공기 모두의 가습을 위해서 2개의 내부 막가습기가 배치될 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해 연료전지 스택에 공급되는 반응가스 중 공기의 가습을 위한 내부 막가습기를 기준으로 설명하기로 한다. 이러한 내부 막가습기는 연료전지 스택에 공급되는 반응가스인 수소를 가습하는 데에도 동일하게 적용될 수 있으며, 공기 및 수소를 모두 가습하는 데에 적용될 수 있음은 물론이다.
내부 막가습기(50)가 배치되는 최외곽 분리판(15')은 그 내부에 공기의 이동통로를 제공하는 유로(17')가 관통 형성되어 있다. 즉, 관통 형성된 유로(17')에 의해 분리판(15') 양면을 흐르는 유체(반응가스 및 배출가스) 간에 열 및 수분교환이 이루어질 수 있다. 구체적인 열 및 수분교환 과정은 후술하기로 한다.
내부 막가습기(50)는 관통 형성된 유로가 구비된 분리판(15')의 막전극어셈블리(11)를 향한 반대면에 배치되는 가습막(51)과, 반응가스가 가습막(51)을 지나면서 연료전지 스택에 공급되도록 반응가스를 안내하는 가습포트(52)를 포함한다.
가습막(51)은 상기 분리판(15')의 관통 형성된 유로(17')를 덮는 크기를 가진 박막으로 제조되는 것이 바람직하며, 연료전지 스택 내부로 공급되는 반응가스의 가습을 위해 수분을 선택적으로 투과하는 성질을 가진 나피온(nafion)과 같은 재료로 제조될 수 있다.
가습포트(52)는 연료전지 스택에 공급되는 공기를 가습시켜 연료전지 스택 내부로 공급하는 역할을 하는 것으로서, 일정 부피의 공기를 수용할 수 있는 두께를 가지며, 그 외부 형상은 분리판과 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 따라서, 가습포트(52)가 연료전지 스택에 배치될 경우 종래의 연료전지 스택과 실질적으로 동일한 형태로 적층될 수 있다.
가습포트(52)는 공기공급수단(미도시)을 통해 연료전지 스택 내부로 공기가 유입되는 공급구(67), 가습포트를 통과한 가습 공기를 연료전지 스택 내부의 매니폴드로 공급하는 토출부(61)를 포함한다. 여기서, 토출부(61)는 분리판과 막전극어셈블리의 유입구(21, 31), 즉 공기유입구와 연통되게 형성되어 있다. 또한, 가습포트(52)에는 유입구(64), 유출구(63, 66), 냉각수유입구(62), 냉각수배출구(65)가 형성되어, 연료전지 스택의 매니폴드의 일부를 구성한다.
여기서, 가습포트(52)의 형상은 도 4에 도시된 형상에 한정되지 않으며, 유입되는 공기가 가습막을 지나면서 연료전지 스택의 매니폴드로 공급되는 형상이라면 어떤 구조라도 가능함은 물론이다. 특히, 가습포트의 공급구(67) 및 토출부(61)는 적용되는 연료전지 스택의 구조에 따라 그 위치가 적절히 변경될 수 있다.
또한, 가습포트(52)는 공급구(67)를 통해 외부에서 유입되는 공기가 가습막(51)과 접촉하면서 지나가기 위한 이동통로를 제공하는 가습유로부(68)를 포함하여 형성된다. 이 가습유로부(68)는 공기가 가습막(51)과 접촉하는 접촉면적을 넓혀 가습 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
가습유로부(68)는 가습유로(69)를 포함하여 형성된다. 도 4에서 가습유로(69)는 서로 평행하게 배열된 복수개의 격벽(70)에 의해 형성되지만, 가습유로(69)의 크기, 위치 및 형상 등 구체적인 가습유로의 구성은 이에 한정되지 않는다.
한편, 반응가스(공기)와 배출가스(물 또는 증기) 간의 열 및 수분교환 과정 에서 온도가 하강하는 것을 방지하기 위해, 가습포트는 열전도도가 낮은 재료, 예컨대 단열재로 많이 사용되는 세라믹 재질 등으로 제조되는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성되는 내부 막가습기를 이용하여, 연료전지 스택의 내부에서 공기가 가습되는 과정을 간략히 살펴보면 다음과 같다.
분리판(15')의 유로(17')를 지나면서 발생되는 배출가스인 수분이 가습막(51)에 흡착 투과된다. 이 과정에서 분리판에서 발생되는 플러딩 현상이 어느 정도 감소될 수 있다. 그리고, 가습막(51)에 흡착 투과된 수분은 연료전지 스택의 작동온도(대략 80℃)로 일정하게 유지되므로, 가습 과정에서 등온 열원으로 작용하게 된다.
한편, 가습포트(52)의 공급구(67)로부터 유입된 공기는 가습유로부(68)를 지나면서 수분이 흡착 투과된 가습막(51)과 접촉하게 된다. 이 과정에서 수분과 공기 사이에 열 및 수분교환이 이루어지고, 온도 및 습도가 상승된 공기는 토출부(61)를 거쳐 분리판(15')의 유입구(21)로 이동되어 연료전지 스택 내부로 유입된다.
본 발명에 따른 내부 막가습기에서의 열교환 과정 중의 온도변화를 도 5(a) 도시하였고, 종래의 막가습기에서의 열교환 과정 중의 온도변화를 도 5(b)에 도시하였다.
연료전지 스택의 운전온도(T1)와 실질적으로 동일한 온도를 가지는 배출가스를 이용하여 새롭게 유입되는 공기를 가습시키므로, 내부 막가습기를 통과한 가습 공기는 온도 및 습도가 높아진 상태로 연료전지 스택 내부로 공급될 수 있다. 그리고, 내부 막가습기를 거친 가습공기의 온도(T1)는 연료전지 스택 내부의 온도와 실질적으로 동일하므로, 이 가습공기가 연료전지 스택 내부에 유입되어도 상대습도의 변화없이 전기화학 반응에 사용될 수 있다. 동시에, 내부 막가습기는 가습막을 통해 물을 흡수하므로, 플러딩 현상을 방지하여 연료전지 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
반면에, 연료전지 스택의 외부에 설치된 종래의 막가습기의 경우에는, 가습공기의 온도(T2)가 연료전지 스택 내부의 온도보다 낮기 때문에, 이 가습공기가 연료전지 스택에 유입된 경우, 온도의 상승에 따라 상대습도가 낮아져 공기의 가습 효과가 떨어질 수 밖에 없다.
도 6은 2개의 내부 막가습기(50)가 설치된, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택(100')의 개략 측면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 공기 및 수소를 동시에 가습시키기 위해 연료전지 스택의 최외곽에 2개의 내부 막가습기(50)가 구비될 수 있으며, 이 경우 새롭게 유입되는 수소는 배출가스로서의 수소와 수분교환을 통해 가습이 이루어지게 된다.
한편, 상술한 바와 같은 내부 막가습기는 반응가스의 입출구가 형성된 중앙분배부(18)가 연료전지 스택의 중앙에 배치된 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택(100")의 개략 측면도이다.
이 경우, 가습막(51) 및 가습포트(52)를 포함하여 이루어지는 내부 막가습기(50)는, 반응가스의 입출구의 위치가 변함에 따라 그 배치 위치가 변화될 뿐, 기본적인 구성은 도 4에 도시된 것과 실질적으로 동일하다.
연료전지 스택(100")의 중앙분배부(18)와 가장 근접하게 위치하는 2개의 분리판(15') 중 적어도 하나의 분리판에는 반응가스의 이동통로를 제공하는 유로가 관통형성되어 있다.
그리고, 관통형성된 유로를 지나는 배출가스와의 수분교환을 통해 연료전지 스택에 공급되는 반응가스를 가습하는 내부 막가습기(50)가 상기 분리판(15')과 상기 중앙분배부(18) 사이에 배치되어 있다.
이와 같은 내부 막가습기(50)는 반응가스인 공기 및/또는 수소를 가습시키기 위해 중앙분배부(180)의 일측 또는 양측에 구비될 수 있다. 그리고, 이 내부 막가습기의 토출부는 연료전지 스택의 공기유입구 및/또는 수소유입구에 연통되도록 형성되어, 연료전지 스택으로 공급되는 반응가스가 내부 막가습기를 통과하여 연료전지 스택 내부로 유입될 수 있다.
일 예로, 도 7에 도시된 바와 같이 반응가스인 공기 및 수소는 내부 막가습기(50)를 거쳐 연료전지 스택 내부로 유입될 수 있으며, 이들은 다시 중앙분배부(18)에 형성된 공기배출구 및 수소배출구를 통해 연료전지 스택 외부로 배출된다.
결국, 본 발명에 따른 내부 막가습기는 연료전지 스택의 내부 중 반응가스의 유입구 측에 구비됨으로써 공급되는 반응가스를 가습시키고 동시에 플러딩 현상을 방지하여 연료전지 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지용 가습장치에 의해 반응가스가 공급되는 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 연료전지 스택의 사시도이다.
도 3(a)는 종래의 연료전지 스택의 일부 분해 사시도이고, 도 3(b)는 A-A의 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 내부 막가습기가 구비된 연료전지 스택의 일부 분해 사시도이다.
도 5(a)는 본 발명에 따른 내부 막가습기 내부에서의 온도변화를, 도 5(b)는 종래 막가습기 내부에서의 온도변화를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 측면도이다.

Claims (10)

  1. 막전극어셈블리와 상기 막전극어셈블리의 양측에 배치되는 분리판을 포함하는 단위셀이 복수개 적층된 연료전지 스택에 있어서,
    상기 복수개 적층된 연료전지 스택의 최외곽에 위치하는 2개의 분리판 중 적어도 하나의 분리판에는 반응가스의 이동통로를 제공하는 유로가 관통형성되고,
    유로가 관통형성된 상기 분리판에 배치되며, 상기 관통형성된 유로를 지나는 배출가스와의 수분교환을 통해 상기 연료전지 스택에 공급되는 반응가스를 가습하는 내부 막가습기를 포함하는 연료전지 스택.
  2. 반응가스의 입출구가 형성된 중앙분배부와, 막전극어셈블리 및 상기 막전극어셈블리의 양측에 배치되는 분리판을 포함하는 단위셀이 상기 중앙분배부의 양측으로 복수개 적층된 연료전지 스택에 있어서,
    상기 복수개 적층된 연료전지 스택의 상기 중앙분배부와 가장 근접하게 위치하는 2개의 분리판 중 적어도 하나의 분리판에는 반응가스의 이동통로를 제공하는 유로가 관통형성되고,
    유로가 관통형성된 상기 분리판과 상기 중앙분배부 사이에 배치되며, 상기 관통형성된 유로를 지나는 배출가스와의 수분교환을 통해 상기 연료전지 스택에 공급되는 반응가스를 가습하는 내부 막가습기를 포함하는 연료전지 스택.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부 막가습기는, 상기 관통형성된 유로가 구비된 분리판의 상기 막전극어셈블리를 향한 반대면에 배치되는 가습막 및 상기 반응가스가 상기 가습막을 지나면서 상기 연료전지 스택에 공급되도록 상기 반응가스를 안내하는 가습포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 내부 막가습기는, 상기 관통형성된 유로가 구비된 분리판의 상기 막전극어셈블리를 향한 반대면에 배치되는 가습막 및 상기 반응가스가 상기 가습막을 지나면서 상기 연료전지 스택에 공급되도록 상기 반응가스를 안내하는 가습포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 가습막은 나피온으로 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 가습포트는 상기 반응가스가 상기 가습막과 접촉하기 위한 이동통로를제공하는 가습유로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 반응가스는 공기이고,
    상기 가습포트의 토출부는 상기 연료전지 스택의 공기유입구에 연통되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  8. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 반응가스는 수소이고,
    상기 가습포트의 토출부는 상기 연료전지 스택의 수소유입구에 연통되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 반응가스는 공기 및 수소이고,
    상기 내부 막가습기는 상기 연료전지 스택의 최외곽에 위치하는 2개의 분리판에 각각 구비되고,
    상기 2개의 내부 막가습기의 가습포트의 토출부는 상기 연료전지 스택의 공기유입구 및 수소유입구에 각각 연통되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 반응가스는 공기 및 수소이고,
    상기 내부 막가습기는 상기 중앙분배부와 가장 근접하게 위치하는 2개의 분리판에 각각 구비되고,
    상기 2개의 내부 막가습기의 가습포트의 토출부는 상기 연료전지 스택의 공기유입구 및 수소유입구에 각각 연통되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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