KR100637503B1

KR100637503B1 - 연료 전지용 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 장치

Info

Publication number: KR100637503B1
Application number: KR1020050033124A
Authority: KR
Inventors: 이상원
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2006-10-20
Anticipated expiration: 2025-04-21

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 1의 전기 발생부를 포함하며, 상기 전기 발생부는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 세퍼레이터와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 배치되는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)과, 상기 기체 확산층에 각각 연결 설치되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 포함한다.

연료전지, 스택, 세퍼레이터, 금속, 부식, MEA, 기체확산층, GDL, 단자부, 단자프레임, 컨넥터, 절연부, 실링부재

Description

연료 전지용 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 장치 {STACK FOR FUEL CELL AND FUEL CELL APPARATUS WITH THE SAME}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 장치의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지용 스택을 도시한 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시한 스택의 일부를 분해하여 나타내 보인 사시도이다.

도 4는 도 2의 단면 구성도이다.

도 5는 도 3에 도시한 기체 확산층의 평면 구성도이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료 전지용 스택에 있어 단자부의 구성을 도시한 사시도이다.

본 발명은 연료 전지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지용 스택에 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 : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

이러한 PEMFC 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 개질기로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.

한편, PEMFC와 다른 방식의 연료 전지 시스템은 연료를 직접 스택으로 공급하여 이 연료와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 DMFC라 한다)를 채용할 수 있다. 이러한 DMFC 방식의 연료 전지 시스템은, PEMFC의 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 구조로 이루어진다. 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 스택에서는 전기 에너지를 발생시키게 된다.

상기 전자의 이동을 가능케 하는 종래의 연료 전지용 스택은 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.

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

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 제조하기가 용이하고 가격이 저렴한 금속 소재의 세퍼레이터 또는 비도전성 세퍼레이터를 사용하여 연료 전지를 구성하고, 이 연료 전지의 전기적인 연결 구조를 개선하여 연료 전지의 성능 및 수명을 연장시킬 수 있는 연료 전지용 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 1의 전기 발생부를 포함하며,

상기 전기 발생부는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 세퍼레이터와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 배치되는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)과, 상기 기체 확산층에 각각 연결 설치되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 포함한다.

상기 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 단자부는 상기 각각의 기체 확산층에 접촉되면서 상기 세퍼레이터의 가장자리 외측으로 돌출 형성되는 단자 프레임으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고 이들 전기 발생부를 연속적으로 배치하여 상기 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대해 상기 단자부를 전기적으로 연결하는 컨넥터를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 세퍼레이터가 비도전성 소재 및 금속 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.

이 경우 상기 세퍼레이터는 알루미늄, 구리, 철, 니켈 및 코발트 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로서 형성될 수 있다. 그리고 상기 세퍼레이터는 카본 소재 보다 상대적으로 도전성이 작은 소재로서 형성될 수도 있다. 즉, 상기 세퍼레이터는 세라믹, 폴리머 및 합성수지 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 1의 전기 발생부를 포함하며,

상기 전기 발생부는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator) 와, 상기 세퍼레이터와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 배치되는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)과, 상기 각각의 세퍼레이터와 기체 확산층 사이에 개재되어 상기 기체 확산층과 실질적으로 접촉 설치되고 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 돌출되어 이 돌출 부분을 통해 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자 프레임을 포함한다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 단자 프레임이 도전성을 갖는 카본 소재로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 단자 프레임은 소정 폭과 길이를 가지면서 바아 형상으로 이루어지며, 상기 기체 확산층과 접촉되는 제1 부분 및 상기 세퍼레이터의 가장자리단 외측으로 돌출되는 제2 부분으로 구성될 수 있다. 그리고 상기 단자 프레임은 상기 세퍼레이터의 가장자리 부분을 결합시키는 결합홈을 형성할 수도 있다.

상기 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 단자 프레임은 개방부를 가지면서 사각틀 형상으로 이루어지며, 상기 기체 확산층과 접촉되는 제1 부분 및 상기 세퍼레이터의 가장자리단 외측으로 돌출되는 제2 부분으로 구성될 수 있다. 그리고 상기 단자 프레임은 상기 세퍼레이터의 가장자리 부분을 결합시키는 결합홈을 형성할 수도 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고 이들 전기 발생부를 연속적으로 배치하여 상기 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대해 상기 단자 프레임 사이에 설치되어 상 기 각 전기 발생부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 컨넥터가 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 컨넥터가 도전성을 갖는 플레이트 형태의 금속 소재로 이루어지는 리드부재를 구비할 수도 있다. 이 경우 상기 단자 프레임은 상기 리드부재를 거치시키기 위한 거치 돌기를 형성할 수도 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 리드부재가 알루미늄, 니켈, 구리 또는 철 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 단자 프레임과 상기 세퍼레이터를 실질적으로 절연시키는 제1 절연부를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 각각의 단자 프레임을 실질적으로 절연시키는 제2 절연부를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 최 외곽에 위치하는 상기 세퍼레이터와 밀착 배치되며, 상기 최 외곽의 단자 프레임과 전기적으로 연결되는 집전 플레이트를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 최외곽의 세퍼레이터와 상기 집전 플레이트 사이에 형성되어 상기 세퍼레이터와 상기 집전 플레이트를 실질적으로 절연시키는 제3 절연부를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 세퍼레이터가 금속 소재로 이루어질 수 있 다.

상기 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 일측의 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하고, 상기 다른 일측의 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성할 수 있다. 이 경우 상기 연료 전지용 스택은, 상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제4 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 형성될 수 있다.

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

상기 연료 전지용 스택은, 상기 세퍼레이터가 알루미늄, 구리, 철, 니켈 및 코발트 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지용 스택은, 상기 하나의 세퍼레이터에 대하여 상기 연료 통로를 일면에 형성하고 다른 일면에 산소 통로를 형성할 수도 있다.

상기 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 세퍼레이터는 카본 소재 보다 상대적으로 도전성이 작은 소재로서 형성될 수도 있다. 이 경우 상기 세퍼레이터는 세라믹, 폴리머 및 합성수지 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite), 카본 페이퍼(carbon paper) 및 카본 클로스(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 기체 확산층은 상기 연료 및/또는 산소가 상기 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 실링부재를 구비하고 있다. 이 경우 상기 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 위치에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로서 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 장치는, 연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 1의 전기 발생부와, 상기 연료를 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)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 배치되는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)과, 상기 기체 확산층에 각각 연결 설치되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 포함한다.

상기 연료 전지 장치에 있어서, 상기 단자부는 상기 각각의 세퍼레이터와 기체 확산층 사이에 개재되어 상기 기체 확산층과 실질적으로 접촉 설치되고, 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 돌출되어 이 돌출 부분을 통해 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자 프레임으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 장치는, 상기 단자 프레임이 도전성을 갖는 카본 소재로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 장치에 있어서, 상기 단자 프레임은 소정 폭과 길이를 가지면서 바아 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지 장치에 있어서, 상기 단자 프레임은 개방부를 가지면서 사각틀 형상으로 이루어질 수도 있다.

상기 연료 전지 장치는, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고 이들 전기 발생부들의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하며, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대해 상기 단자 프레임 사이에 설치되어 상기 각 전기 발생부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 장치는, 상기 컨넥터가 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지 장치는, 상기 컨넥터가 도전성을 갖는 플레이트 형태의 금속 소재로 이루어지는 리드부재를 구비할 수도 있다.

상기 연료 전지 장치는, 상기 세퍼레이터가 세라믹, 폴리머, 합성수지, 및 금속 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 장치에 있어서, 상기 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite), 카본 페이퍼(carbon paper) 및 카본 클로스(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 장치에 있어서, 상기 기체 확산층은 상기 연료 및/또는 산소가 상기 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 실링부재를 구비할 수 있다.

상기 연료 전지 장치는, 상기 연료로서 수소 기체를 사용할 수 있다. 대안으로서, 상기 연료 전지 장치는, 액체로 이루어진 연료를 사용할 수도 있다. 그리고 상기 연료 전지 장치는, 공기를 통해 상기 산소를 얻도록 구성될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 장치(100)를 설명하면, 이 연료 전지 장치(100)는, 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식으로 구성된다.

이러한 연료 전지 장치(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 장치(100)는 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 장치(100)는 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 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 수소를 공급받고, 산소 공급원(40)으로부터 공기를 공급받아 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지(fuel cell)로서 구성된다.

연료 공급원(30)은 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 연료 탱크(31)로부터 연료를 배출시키는 연료 펌프(33)와, 연료 탱크(31)로부터 연료를 공급받아 이 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 이 수소를 스택(10)으로 공급하는 개질기(35)를 포함한다.

여기서 개질기(35)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소를 발생시키고, 이 수소에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기 구조로 이루어진다. 부연 설명하면, 개질기(35)는 연료의 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 수소를 발생시킨다. 그리고 개질기(35)는 수소의 수성가스 전환 반응, 선택적 산화 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등으로 수소에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

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.

대안으로서, 본 발명에 의한 연료 전지 장치(100)는 연료를 직접 스택(10)으로 공급하여 이 연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 전지 방식의 장치는 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 장치와 달리, 개질기(35)를 필요로 하지 않고 연료 펌프(33)의 가동에 의하여 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 직접 공급할 수 있는 연료 공급원(30)을 구비한다.

이하에서는 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 적용한 연료 전지 장치(100)를 예로 하여 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료 전지 장치(100)에 있어, 상기한 스택(10)을 구성하는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지용 스택을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시한 스택의 일부분을 분해하여 나타내 보인 사시도이고, 도 4는 도 2의 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 장치(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)"라고 한다.)(13)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부(11)를 포함하여 구성된다. 따라서 본 실시예에서는 위와 같은 복수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부(11)의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.

상기한 세퍼레이터(13) 사이에 개재되는 MEA(12)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극(도시하지 않음)을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막(도시하지 않음)을 형성하는 구조로 이루어진다. 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 수분을 생성하는 기능을 하게 된다.

그리고 세퍼레이터(13)는 MEA(12)를 사이에 두고 서로 밀착되어 MEA(12)의 양측에 각각 연료 통로(13a)와 산소 통로(13b)를 형성한다. 여기서 연료 통로(13a)는 세퍼레이터(13)의 일면에 형성되는 채널로서 구성되며, 수소를 MEA(12)의 애노드 전극으로 공급하는 기능을 하게 된다. 그리고 산소 통로(13b)는 세퍼레이터(13)의 다른 일면에 형성되는 채널로서 구성되며, 공기를 MEA(12)의 캐소드 전극으로 공급하는 기능을 하게 된다.

본 발명에 있어 상기한 세퍼레이터(13)는 도면에 도시한 바와 같이, 하나의 세퍼레이터(13)에 대해 일면에 연료 통로(13a)를 형성하고 다른 일면에 산소 통로(13b)를 형성하고 있다.

이와 같은 세퍼레이터(13)에 대한 구성은 연료 통로(13a) 및 산소 통로(13b) 로 수소와 공기를 공급하여 순환시키고, MEA(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 반응하고 남은 미반응 수소와 공기를 배출시키는 통상적인 것이 적용될 수 있다.

본 실시예에서, 세퍼레이터(13)는 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 철, 니켈 또는 코발트 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 합금 소재로 이루어진 금속 플레이트로서 성형될 수 있다. 이 경우 세퍼레이터(13)의 연료 통로(13a)와 산소 통로(13b)는 금속 플레이트를 스탬프(stamping) 또는 에칭(etching) 방식으로 성형하여 형성될 수 있으며, 바람직하게는 금속 플레이트를 프레스(press) 방식으로 성형하여 형성될 수 있다.

대안으로서, 세퍼레이터(13)는 통상적인 카본 소재 보다 상대적으로 도전성이 작은 소재 또는 비도전성 소재 예컨대, 세라믹, 폴리머, 합성수지, 고무 소재 등을 사출 또는 압출 성형하는 방식으로 제작될 수도 있다.

그리고 각각의 세퍼레이터(13)와 MEA(12) 사이에는 MEA(12)의 양 전극으로 수소와 공기를 확산시켜 주고, 애노드 전극에서 생성되는 전자를 세퍼레이터(13) 또는 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 장치(100)의 작용시, 세퍼레이터(13)의 연료 통로(13a)를 통해 MEA(12)의 애노드 전극으로 수소가 공급되는 반면, 세퍼레이터(13)의 산소 통로(13b)를 통해 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 따라서 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응을 통해 이 수소를 전자와 수소 이온(프로톤)으로 분리한다. 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, 캐소드 전극에서는 애노드 전극으로부터 받은 수소 이온과 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응을 통해 열과 수분을 발생시킨다.

이러는 과정에서, 본 실시예에 의한 스택(10)은 세퍼레이터(13)가 금속 소재로 이루어져 있기 때문에, 이 세퍼레이터(13)는 상기한 수분, 열 및 산소에 의해 산화 부식되게 된다. 이러한 세퍼레이터(13)의 부식은 세퍼레이터(13) 자체에 전자의 흐름을 방해하는 저항을 증대시킴으로써 세퍼레이터(13)의 전도체 기능을 상실케 하고 전체 스택(10)의 성능을 저하시키는 요인으로서 작용하게 된다.

이에 본 발명에 의한 연료 전지 장치(100)에 있어, 스택(10)을 구성하는 전기 발생부(11)는 기체 확산층(14a, 14b)을 통한 전기적인 연결에 의하여 MEA(12)에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부(20)를 포함하고 있다.

본 실시예에 따르면, 단자부(20)는 기체 확산층(14a, 14b)을 통하여 전기 발생부(11) 간의 전기적인 연결이 가능하도록 구비된다. 이 단자부(20)는 각각의 기체 확산층(14a, 14b)에 연결 설치되어 세퍼레이터(13)의 가장자리 외측으로 일부 돌출되는 단자 프레임(21, 22)을 포함한다. 즉, 단자 프레임(21, 22)은 이 기체 확산층(14a, 14b)과의 전기적인 연결에 의하여 MEA(12)에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 한다.

구체적으로, 단자 프레임(21, 22)은 단일의 전기 발생부(11)에 대해 양 세퍼레이터(13)의 적어도 어느 한 쪽 가장자리 부분 사이에 서로 대응되도록 개재되어 각각의 기체 확산층(14a, 14b)에 연결되도록 설치된다.

이 단자 프레임(21, 22)은 제1 단자 프레임(21)과 제2 단자 프레임(22)으로 구분될 수 있다. 제1 단자 프레임(21)은 양 세퍼레이터(13)의 가장자리 부분 사이에 설치되어 일측 기체 확산층(14a)과 접촉하면서 세퍼레이터(13)의 가장자리 외측으로 일부 돌출되도록 구비된다. 그리고 제2 단자 프레임(22)은 양 세퍼레이터(13)의 가장자리 부분 사이에서 제1 단자 프레임(21)과 마주하도록 설치되며, 다른 일측 기체 확산층(14b)과 접촉하면서 세퍼레이터(13)의 가장자리 외측으로 일부 돌출되도록 구비된다.

여기서 각 단자 프레임(21, 22)은 소정 폭과 길이를 가지면서 양 세퍼레이터(13)의 가장자리 부분 사이에서 그 가장자리 방향으로 길게 설치되는 플레이트 또는 바아 형상으로 이루어지며, 도전성을 갖는 카본 소재로서 형성될 수 있다.

이와 같은 단자 프레임(21, 22)은 각각의 기체 확산층(14a, 14b)과 실질적으로 접촉되는 제1 부분(21a, 22a)과, 세퍼레이터(13)의 가장자리 외측으로 돌출되는 제2 부분(21b, 22b)과, 세퍼레이터(13)의 가장자리 부분에 밀착되는 제3 부분(21c, 22c)으로 구성될 수 있다. 그리고 도면 부호 21d, 22d는 단일의 전기 발생부(11)에 대해 한 쌍으로 이루어지는 단자 프레임(21, 22)에 있어, 이 단자 프레임(21, 22)이 일정 간격 이격되도록 제3 부분(21, 22c)의 반대면 즉, 단자 프레임(21, 22)의 서로 마주하는 면에 돌출 형성되는 제4 부분을 나타낸다. 이 때 단자 프레임(21, 22)은 제2 부분(21b, 22b)이 최소한 세퍼레이터(13)의 어느 한 쪽 가장자리단 외측으로 돌출되도록 배치된다. 그러나 본 발명의 도면에서는 제2 부분(21b, 22b)이 세퍼레이터(13)의 전체 가장자리 외측으로 돌출되는 예를 도시하고 있다.

그리고 각각의 단자 프레임(21, 22)과 세퍼레이터(13)의 밀착 부분 즉, 단자 프레임(21, 22)의 제3 부분(21c, 22c)과 세퍼레이터(13)의 가장자리 부분 사이에는 단자 프레임(21, 22)과 세퍼레이터(13)를 실질적으로 절연시키기 위한 제1 절연부(23)를 형성하고 있다.

제1 절연부(23)는, 세퍼레이터(13)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 단자 프레임(21, 22)으로 통하지 않고 세퍼레이터(13)를 통해 이웃하는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(13)로 통하는 것을 차단하여 스택(10)의 전기적인 출력 성능을 향상시키기 위한 것이다. 이러한 제1 절연부(23)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.

또한 각각의 전기 발생부(11)에 대하여 단자 프레임(21, 22) 사이에는 이들 단자 프레임(21, 22)을 실질적으로 절연시키기 위한 제2 절연부(24)를 구비하고 있다.

제2 절연부(24)는 각각의 전기 발생부(11)에 대해 단자 프레임(21, 22)의 제2 부분(21b, 22b) 사이에 형성될 수 있다. 이에 더하여 각각의 전기 발생부(11)는 서로 마주하는 단자 프레임(21, 22)의 제4 부분(21d, 22d) 사이에도 상기와 같은 제2 절연부(24)를 형성하고 있다. 이는 하나의 전기 발생부(11)에 대하여 일측 기체 확산층(14a)에 연결되는 제1 단자 프레임(21)과 다른 일측 기체 확산층(14b)에 연결되는 제2 단자 프레임(22)이 뒤에서 더욱 설명하는 컨넥터(25)에 전기적으로 연결되어 소정 전위차를 갖는 (+), (-)의 단자 역할을 하기 때문에, 이러한 단자의 쇼트를 방지하기 위함이다. 이러한 제2 절연부(24)는 제1 절연부(23)와 같이 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.

한편, 도 5는 도 3에 도시한 기체 확산층의 평면 구성도로서, 본 실시예에 의한 기체 확산층(14a, 14b)은 MEA(12: 도 4)의 가장자리단에 대응하는 부분에 실링부재(19)를 형성하고 있다. 이 실링부재(19)는 세퍼레이터(13: 도 4)의 연료 통로(13a: 도 4)를 통해 공급되는 수소와 세퍼레이터(13)의 산소 통로(13b: 도 4)를 통해 공급되는 공기가 이 기체 확산층(14a, 14b)을 통해 확산되는 경우, 수소와 공기가 MEA(12)의 외측으로 확산되어 전기 발생부(11: 도 4)의 외부로 새어 나가는 것을 저지하는 기능을 하게 된다. 이러한 실링부재(19)는 기체 확산층(14a, 14b)의 가장자리 부분, 즉 MEA(12)의 가장자리단에 상응하는 위치에 형성되는 바, 테프론, 폴리이미드 등과 같은 폴리머 소재 또는 고무 소재가 기체 확산층(14a, 14b)에 함침 형성되는 것이 바람직하다.

이에 더하여, 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(25)를 포함하고 있다.

이 컨넥터(25)는 전체 스택(10)에 대하여 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에서 발생되는 전기를 직렬로 연결시켜 주기 위한 것이다. 즉, 컨넥터(25)는 복수의 전기 발생부(11) 중 어느 일측 전기 발생부(11)의 단자 프레임(21, 22)과 다른 일측 전기 발생부(11)의 단자 프레임(21, 22)을 전기적으로 연결시키는 전도체의 기능을 하게 된다.

이를 위한 컨넥터(25)는 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 형성될 수 있으며, 서로 이웃하는 각각의 전기 발생부(11)에 대하여 단자 프레임(21, 22)의 제2 부분(21b, 22b) 즉, 각각의 전기 발생부(11) 사이에 설치된다.

구체적으로, 본 실시예에 의한 컨넥터(25)는 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 어느 한 전기 발생부(11)의 일측 기체 확산층(14a)에 연결되는 제1 단자 프레임(21)과 다른 전기 발생부(11)의 다른 일측 기체 확산층(14b)에 연결되는 제2 단자 프레임(22)의 제2 부분(21b, 22b) 사이에 설치되며, 상기 일측 전기 발생부(11)의 일측 기체 확산층(14b)에 연결되는 제2 단자 프레임(22)과 상기 다른 일측 전기 발생부(11)의 다른 일측 기체 확산층(14a)에 연결되는 제1 단자 프레임(21)의 제2 부분(21b, 22b)사이에 설치된다.

그리고 본 실시예에 의한 스택(10)의 최외곽에는 이 스택(10)에서 발생하는 전기를 집전하는 집전 플레이트(27)를 설치하고 있다. 이 집전 플레이트(27)는 도면에 도시한 바와 같이, 제3 절연부(28)에 의하여 상기 최외곽의 세퍼레이터(13)와 절연된 상태로 배치될 수 있다. 그리고 스택(10)의 최외곽에 위치하는 단자 프레임(21, 22)과 집전 플레이트(27) 사이에는 전술한 바 있는 컨넥터(25)를 설치하고 있다. 이러한 집전 플레이트(27)는 상기 최외곽의 세퍼레이터(13)에 밀착 배치되면서 복수의 전기 발생부(11)를 가압 밀착시키는 구조로 이루어진다. 이에 집전 플레이트(27)는 별도의 체결부재(도시하지 않음) 예컨대, 볼트와 너트 또는 리벳 등에 의해 체결됨으로써, 상기 복수의 전기 발생부(11)를 가압 밀착시키게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 장치의 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 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소를 발생시키고, 이 수소에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

이어서, 연료 펌프(33)의 가동에 의하여 일산화탄소의 농도가 저감된 수소를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(41)를 가동시켜 공기를 전기 발생부(11)로 공급한다.

따라서 수소는 세퍼레이터(13)의 연료 통로(13a)를 통해 일측 기체 확산층(14a)으로 공급되며, 이 기체 확산층(14a)을 통해 MEA(12)의 애노드 전극으로 확산 되게 된다. 그리고 공기는 세퍼레이터(13)의 산소 통로(13b)를 통해 다른 일측 기체 확산층(14b)으로 공급되며, 이 기체 확산층(14b)을 통해 MEA(12)의 캐소드 전극으로 확산되게 된다.

이로써 MEA(12)의 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응을 통해 이 수소를 전자와 수소 이온(프로톤)으로 분리한다. 여기서 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. 그리고 MEA(12)의 캐소드 전극에서는 애노드 전극으로부터 받은 수소 이온 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 열과 수분을 발생시킨다.

이와 같은 작용을 더욱 구체적으로 설명하면, 각각의 전기 발생부(11)에 대해 기체 확산층(14a, 14b)과 각각 연결되는 단자 프레임(21, 22)이 절연된 상태를 유지하고, 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 각각의 단자 프레임(21, 22)이 컨넥터(25)를 통해 직렬로 연결되고 있기 때문에, 이 컨넥터(25)를 통해 언급한 바 있는 전자가 일측 전기 발생부(11)의 단자 프레임(21)에서 다른 일측 전기 발생부(11)의 단자 프레임(22)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(27)를 통해 소정 전위차를 갖는 전기를 로드 예컨대, 노트북 PC, PDA와 같은 휴대용 전자기기로 인가할 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의한 연료 전지 장치(100)는 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 단자 프레임(21, 22)에 의하여 기체 확산층(14a, 14b)을 통한 전자의 흐름을 가능하게 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다. 도 4에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재로서 이하에서 자세한 설명은 생략한다.

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 연료 통로(43a)를 형성하고 이에 대향 밀착되는 타측 세퍼레이터(43)의 일면에 산소 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 연료 통로(43a)를 형성하고, 다른 기체 확산층(14b)에 밀착되는 일면에 산소 통로(43b)를 형성한다. 이에 따라 각 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 제4 절연부(29)를 구비하고 있다. 제4 절연부(29)는 서로 이웃하는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(43) 사이에 형성되며, 절연 테잎 또는 절연 시트 형태로 이루어진다.

상기한 제4 절연부(29)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 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 제4 절연부(29)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 나머지 구성은 전기 제1 실시예의 구성과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다. 도 4에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재로서 이하에서 자세한 설명은 생략한다.

도면을 참고하면, 이 경우는 전기 실시예들의 구조를 기본으로 하면서, 서로 이웃하는 일측 전기 발생부(11)의 단자부(60)와 다른 일측 전기 발생부(11)의 단자부(60)를 전기적으로 연결하는 컨넥터(55)를 도전성을 가진 금속 소재의 리드부재(56)로서 구성할 수 있다.

이 리드부재(56)는 도전성을 갖는 플레이트 형태로 이루어지며, 서로 이웃하는 전기 발생부(11)의 단자 프레임(61, 62)에 거치된다. 이 리드부재(56)는 알루미늄, 니켈, 구리, 철 등에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 둘 이상의 함금 소재로 형성될 수 있다.

이러한 리드부재(56)를 서로 이웃하는 전기 발생부(11)의 단자 프레임(61, 62) 사이에 거치시키기 위해, 서로 마주하는 단자 프레임(61, 62)의 제2 부분(61b, 62b)에는 거치 돌기(61e, 62e)를 일체로 형성하고 있다.

따라서 상기한 리드부재(56)는 서로 이웃하는 전기 발생부(11)에 대하여 단자 프레임(61, 62)의 거치 돌기(61e, 62e)에 거치됨으로써 전기 발생부(11)들을 전기적으로 연결시킬 수 있다.

한편, 스택(10)의 최외곽에 위치하는 세퍼레이터(13)와 집전 플레이트(27) 사이에 위치하는 리드부재(56)는 리벳 또는 볼트와 너트의 결합에 의하여 상기 집전 플레이트(27)에 고정 설치될 수 있다.

본 실시예에 의한 나머지 구성은 전기 실시예들의 구성과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구조를 도시한 단면 구성도이다. 도 6에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재로서 이하에서 자세한 설명은 생략한다.

도면을 참고하면, 이 경우는 전기 제2 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 양 세퍼레이터(43)의 가장자리 부분 사이에 설치되는 단자 프레임(121, 122)에 이 세퍼레이터(43)의 가장자리 부분을 결합시키는 결합홈(126)을 형성하고 있다.

구체적으로, 단자 프레임(121, 122)은 양 세퍼레이터(43)의 가장자리 부분이 밀착되는 부분에 상기 결합홈(126)을 형성하고 있다. 그리고 결합홈(126)의 내표면 과 세퍼레이터(43) 사이에는 단자 프레임(121, 122)과 세퍼레이터(43)를 실질적으로 절연시키기 위한 제1 절연부(23)를 형성하고 있다.

본 실시예에 의한 나머지 구성은 전기 제2 실시예의 구성과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도면을 참고하면, 이 경우는 전기 실시예들의 구조를 기본으로 하면서, 단자 프레임(221, 222)이 사각 틀 형태로 이루어지는 단자부(220)를 구성할 수 있다.

본 실시예에서, 단자 프레임(221, 222)은 전기 실시예들에서와 같은 단자 프레임을 일체로 형성하여 개방부(223)를 형성하고 있는 사각형의 프레임 형태로 이루어지며, 세퍼레이터(13: 도 3 참조)의 전체 가장자리 외측으로 일부 돌출되도록 구비된다.

상기 단자부(220)의 나머지 구성은 전기 실시예들의 단자 프레임과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

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, 단자 프레임을 통하여 기체 확산층의 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.

Claims

연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부

를 포함하며,

상기 전기 발생부는,

막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA);

상기 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator);

상기 세퍼레이터와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 배치되는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL); 및

상기 기체 확산층에 각각 연결 설치되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 포함하는 연료 전지용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 단자부는 상기 각각의 기체 확산층에 접촉되면서 상기 세퍼레이터의 가장자리 외측으로 돌출 형성되는 단자 프레임을 포함하는 연료 전지용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 전기 발생부를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부를 연속적으로 배치 하여 상기 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며,

서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대해 상기 단자부를 전기적으로 연결하는 컨넥터를 포함하는 연료 전지용 스택.
제 1 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 비도전성 소재 및 금속 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 연료 전지용 스택.
제 4 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 알루미늄, 구리, 철, 니켈 및 코발트 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 복수의 합금 소재로서 형성되는 연료 전지용 스택.
제 4 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 카본 소재 보다 상대적으로 도전성이 작은 소재로 이루어지는 연료 전지용 스택.
제 6 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 세라믹, 폴리머 및 합성수지 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 형성되는 연료 전지용 스택.
연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부

를 포함하며,

상기 전기 발생부는,

막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA);

상기 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator);

상기 세퍼레이터와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 배치되는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL); 및

상기 각각의 세퍼레이터와 기체 확산층 사이에 개재되어 상기 기체 확산층과 실질적으로 접촉 설치되고, 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 돌출되어 이 돌출 부분을 통해 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자 프레임을 포함하는 연료 전지용 스택.
제 8 항에 있어서,

상기 단자 프레임이 도전성을 갖는 카본 소재로서 형성되는 연료 전지용 스택.
제 9 항에 있어서,

상기 단자 프레임은 소정 폭과 길이를 가지면서 바아 형상으로 이루어지며, 상기 기체 확산층과 접촉되는 제1 부분 및 상기 세퍼레이터의 가장자리단 외측으로 돌출되는 제2 부분으로 구성되는 연료 전지용 스택.
제 10 항에 있어서,

상기 단자 프레임은 상기 세퍼레이터의 가장자리 부분을 결합시키는 결합홈을 형성하는 연료 전지용 스택.
제 9 항에 있어서,

상기 단자 프레임이 개방부를 가지면서 사각틀 형상으로 이루어지며, 상기 기체 확산층과 접촉되는 제1 부분 및 상기 세퍼레이터의 가장자리단 외측으로 돌출되는 제2 부분으로 구성되는 연료 전지용 스택.
제 12 항에 있어서,

상기 단자 프레임은 상기 세퍼레이터의 가장자리 부분을 결합시키는 결합홈을 형성하는 연료 전지용 스택.
제 8 항에 있어서,

상기 전기 발생부를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부를 연속적으로 배치하여 상기 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며,

서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대해 상기 단자 프레임 사이에 설치되어 상기 각 전기 발생부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함하는 연료 전지용 스택.
제 14 항에 있어서,

상기 컨넥터가 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지는 연료 전지용 스택.
제 14 항에 있어서,

상기 컨넥터가 도전성을 갖는 플레이트 형태의 금속 소재로 이루어지는 리드부재를 구비하는 연료 전지용 스택.
제 16 항에 있어서,

상기 단자 프레임이 상기 리드부재를 거치시키기 위한 거치 돌기를 형성하는 연료 전지용 스택.
제 17 항에 있어서,

상기 리드부재가 알루미늄, 니켈, 구리 또는 철 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 복수의 합금 소재로서 형성되는 연료 전지용 스택.
제 8 항에 있어서,

상기 단자 프레임과 상기 세퍼레이터를 실질적으로 절연시키는 제1 절연부를 포함하는 연료 전지용 스택.
제 8 항에 있어서,

상기 하나의 전기 발생부에 대하여 상기 각각의 단자 프레임을 실질적으로 절연시키는 제2 절연부를 포함하는 연료 전지용 스택.
제 8 항에 있어서,

최 외곽에 위치하는 상기 세퍼레이터와 밀착 배치되며, 상기 최 외곽의 단자 프레임과 전기적으로 연결되는 집전 플레이트를 포함하는 연료 전지용 스택.
제 21 항에 있어서,

상기 최외곽의 세퍼레이터와 상기 집전 플레이트 사이에 형성되어 상기 세퍼레이터와 상기 집전 플레이트를 실질적으로 절연시키는 제3 절연부를 포함하는 연료 전지용 스택.
제 8 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 금속 소재로 이루어지는 연료 전지용 스택.
제 23 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 상기 일측의 기체 확산층에 밀착되어 연료 통로를 형성하 고, 상기 다른 일측의 기체 확산층에 밀착되어 산소 통로를 형성하는 연료 전지용 스택.
제 24 항에 있어서,

상기 각각의 전기 발생부를 실질적으로 절연시키는 제4 절연부가 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 형성되는 연료 전지용 스택.
제 24 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 상기한 통로를 형성하는 연료 전지용 스택.
제 23 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 알루미늄, 구리, 철, 니켈 및 코발트 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 소재 또는 복수의 합금 소재로서 형성되는 연료 전지용 스택.
제 24 항에 있어서,

상기 하나의 세퍼레이터에 대하여 상기 연료 통로를 일면에 형성하고 다른 일면에 산소 통로를 형성하는 연료 전지용 스택.
제 8 항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 카본 소재 보다 상대적으로 도전성이 작은 소재로 이루어지는 연료 전지용 스택.
제 29 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 세라믹, 폴리머 및 합성수지 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 형성되는 연료 전지용 스택.
제 8 항에 있어서,

상기 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite), 카본 페이퍼(carbon paper) 및 카본 클로스(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 형성되는 연료 전지용 스택.
제 8 항에 있어서,

상기 기체 확산층은 상기 연료 및 산소가 상기 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 실링부재를 구비하는 연료 전지용 스택.
제 32 항에 있어서,

상기 실링부재는 상기 막-전극 어셈블리의 가장자리단에 상응하는 위치에 형성되고, 폴리머 또는 고무 소재로서 형성되는 연료 전지용 스택.
연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부;

상기 연료를 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)와, 이 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)와, 상기 세퍼레이터와 막-전극 어셈블리 사이에 배치되는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)과, 상기 기체 확산층에 각각 연결 설치되어 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자부를 포함하는 연료 전지 장치.
제 34 항에 있어서,

상기 단자부는 상기 각각의 세퍼레이터와 기체 확산층 사이에 개재되어 상기 기체 확산층과 실질적으로 접촉 설치되고, 상기 세퍼레이터의 적어도 한 쪽 가장자리 외측으로 돌출되어 이 돌출 부분을 통해 상기 막-전극 어셈블리에서 발생하는 전자의 흐름을 가능케 하는 단자 프레임으로서 구성되는 연료 전지 장치.
제 35 항에 있어서,

상기 단자 프레임이 도전성을 갖는 카본 소재로서 형성되는 연료 전지 장치.
제 36 항에 있어서,

상기 단자 프레임은 소정 폭과 길이를 가지면서 바아 형상으로 이루어지는 연료 전지 장치.
제 36 항에 있어서,

상기 단자 프레임이 개방부를 가지면서 사각틀 형상으로 이루어지는 연료 전지 장치.
제 35 항에 있어서,

상기 전기 발생부를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부들의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하며,

서로 이웃하는 상기 전기 발생부에 대해 상기 단자 프레임 사이에 설치되어 상기 각 전기 발생부를 직렬로 연결하는 컨넥터를 포함하는 연료 전지 장치.
제 39 항에 있어서,

상기 컨넥터가 도전성을 갖는 블록 형태의 카본 소재로 이루어지는 연료 전지 장치.
제 39 항에 있어서,

상기 컨넥터가 도전성을 갖는 플레이트 형태의 금속 소재로 이루어지는 리드부재를 구비하는 연료 전지 장치.
제 34 항에 있어서,

상기 세퍼레이터가 세라믹, 폴리머, 합성수지, 및 금속 소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 형성되는 연료 전지 장치.
제 34 항에 있어서,

상기 기체 확산층은 시트 타입의 카본 합성물(composite), 카본 페이퍼(carbon paper) 및 카본 클로스(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 형성되는 연료 전지 장치.
제 34 항에 있어서,

상기 기체 확산층은 상기 연료 및 산소가 상기 막-전극 어셈블리의 외측으로 확산되는 것을 저지하기 위한 실링부재를 구비하는 연료 전지 장치.
제 34 항에 있어서,

상기 연료로서 수소 기체를 사용하는 연료 전지 장치.
제 34 항에 있어서,

액체로 이루어진 연료를 사용하는 연료 전지 장치.
제 34 항에 있어서,

공기를 통해 상기 산소를 얻도록 구성되는 연료 전지 장치.