KR0123727B1 - 연료전지의 적층체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응기체를 균일하게 분배 공급할 수 있는 연료전지의 적층체에 관한 것이다. 일정한 갯수의 단위전지로 구성된 블럭을 여러개 적층하여, 외부에서 각각의 블럭으로는 외부 매니폴드 방식에 의해, 각 블럭의 내부에서 각각의 단위전지로는 내부 매니폴드 방식에 의해 반응기체가 분배 공급됨으로써 외부 매니폴드 방식과 내부 매니폴드 방식의 혼합 구조로 되어 있는 본 발명의 연료전지 적층체에 의하면, 기체밀봉면에서 안전성의 확보가 용이하고 각 단위전지에 반응기체를 균일하게 공급할 수 있으며, 오작동되는 부위로의 반응기체 공급을 차단시켜 연료의 이용효율을 증가시키는 한편 정상운전중인 다른 단위전지의 성능 저하를 방지할 수 있으므로 장기간 운전시 전지성능에 획기적인 향상을 가져올 수 있으며, 연료전지 적층체에 대한 관리를 용이하게 할 수 있다.

Description

연료전지의 적층체

제1도는 통상적인 연료전지의 작동원리를 설명하는 모식 단면도이고

제2도는 내부 매니폴드(internal manifold)의 개념도이고

제3도는 외부 매니폴드(external manifold)의 개념도이고

제4도는 본 발명에 의한 연료전지 적층체의 구조를 설명하는 모식 단면도이다

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 매트릭스 2 : 양극

3 : 음극

4, 24, 34, 45 : 바이폴라 판

21, 31 : 수소극 기체입구

22, 32 : 수소극 기체출구

23, 33 : 수소극 기체유로

25, 35 : 산화제극 기체흐름 방향

26, 36 : 산화제극 기체유로

27, 37, 43 : 매트릭스 및 전극

41 : 반응기체 입구 42 : 반응기체 출구

44, 46 : 기체유로 7, 48 : 외부 매니폴드

49 : 밸브

본 발명은 연료전지 적층체(stack)에 관한 것으로, 상세하게는 다수의 단위전지의 적층체로 되어 있는 연료전지에 있어서, 기체 밀봉이 용이하여 안전성이 있고 각 단위전지에 반응기체를 균일하게 공급하는 것이 가능하며 오작동이 발생하는 부위에는 반응기체 공급을 중단시켜 연료의 이용효율을 증가시킬 뿐만 아니라 정상운전중인 다른 단위전지의 성능 저하를 방지할 수 있으므로 장기간 운전시 전지성능에 획기적인 향상을 가져올 수 있으며, 연료전지 적층체에 대한 관리를 용이하게 할 수 있는 구조를 지닌 연료전지 적층체에 관한 것이다.

연료전지는 연료가스와 산화제가스를 전기화학적으로 반응시켜 연료가스가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜 사용하는 새로운 발전시스템으로서 두개의 전극과 전해질로 구성되어 있어 일반적인 전지와 유사하지만, 일반적인 전지와의 근본적인 차이점은 적당한 반응물인 연료와 산화제가 연속적으로 공급된다는 것이다. 즉, 일반적인 전지는 소정기간 사용되어 전지 내부의 활성 반응물질이 소모되면 폐기되며, 충전에 의해 반복되어 사용될 수 있는 전지라 하더라도 최초의 방전 후에 생성되는 에너지는 외부에서 공급되는 전기 에너지에 의해 이루어진다는 점에서 일종의 에너지 저장수단에 불과하다고 할 수 있다. 그러나, 연료와 산화제를 계속 공급받는 연료전지는 계속적인 연료공급에 의해 계속 작동할 수 있는 에너지의 전환수단으로서 전위차에 의한 전자의 이동에 의해 에너지가 생성되므로 물의 위치에너지를 이용하는 수력발전 방식과 유사하다고 할 수 있다.

이와 같은 연료전지는 전력용 발전설비, 항공우주기지의 전원, 해상 또는 해안에 있어서의 무인시설의 전원, 고정 또는 이동무선의 전원, 자동차용 전원, 가정용 전기기구의 전원 또는 레져용 전기기구의 전원등으로 관심있게 검토되어 왔다.

연료전지를 구분하며, 고온(약 500 내지 700℃)에서 작동하는 용융탄산염 연료전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동하는 알칼리 연료전지, 또는 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 전해질형 연료전지 등이 있다.

실제로 연료전지에서 얻을 수 있는 전압은 100-200mA/㎠의 전류밀도하에서 0.7-1.0V이다. 이것은 0.5-2kW/㎡의 전력밀도를 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 더욱 높은 전압이나 전류를 얻기 위해서는 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용한다. 이와 같은 연결방식을 연료전지의 적층체(stack) 구조라 한다. 대부분의 연료전지 적층체는 직렬방식을 하고 있는데 바이폴라 판이 하나의 단위전지의 양극과 다음 전지의 음극을 직접 연결해 주고 있다. 이러한 바이폴라 판은 전류를 잘 전달할 뿐만 아니라 음극과 양극의 강한산화, 환원 분위기에 내성이 있는 것이 이용된다.

이와 같이, 연료전지 적층체는 양극, 음극 및 매트릭스를 포함하는 단위전지가 수십개 내지 수백개 적층됨으로써 구성된다. 연료전지의 작동 원리를 제1도를 참고로 하여 설명하기로 한다. 제1도는 통상적인 연료전지의 작동원리를 설명하는 모식 단면도이다. 단위전지는 전해질을 보유하는 다공질의 절연재로 되어 있는 매트릭스(1), 연료극인 양극(2) 및 산소극인 음극(3)으로 구성되는데, 이러한 단위전지가 바이폴라 판(4)을 개재하여 복수로 적층되어 전지를 형성하게 된다. 양극(2)인 수소극에서는, 수소가 공급되어 전극을 통과함에 따라 수소극의 촉매작용에 의해 수소 양이온과 전자로 분리되고, 수소 양이온은 전해질을 통해 음극(3)으로 이동한다. 음극(3)에서는 외부 회로를 통하여 양극에서 발생한 전자가 전달되고 산소가 공급되는데, 수소양이온과 산소가 전기화학적으로 반응하여 물이 생성된다. 이때 양극(2)과 음극(3)을 연결한 외부 전선으로 전자가 흐르게 되면서 전기를 발생시키게 된다.

인산형 연료전지에서는 상기와 같은 단위전지가 기본이 되어, 흑연으로 만들어진 바이폴라(bipolar)판을 사용하여 여러개의 단위전지를 직렬 연결하여 하나의 큰 적층구조를 구성함으로써 원하는 전기 출력을 얻을수 있는 연료전지 발전 시스템을 구성하며, 적층체에 연료인 반응기체가 공급됨으로써 전기가 생산된다.

적층체에 기체를 공급하는 방식으로서 종래에는 외부매니폴드 방식과 내부매니폴드 방식을 이용하였다. 외부 매니폴드 방식은 제2도에 도시되어 있는 바와 같이 적층체 외부에 부착된 매니폴드에 의해 적층체 외부로부터 반응기체를 각 단위전지로 공급하는 방식이며, 내부 매니폴드 방식은 제3도에 도시되어 있는 바와 같이 적층체에 공급된 반응기체를 적충체 내부에서 각 단위전지에 분배, 공급하는 방식이다.

외부 매니폴드 방식의 경우, 각 단위전지에 공급되는 반응기체의 양이 비교적 균일하다는 장점이 있지만 반응기체 공급을 위한 매니폴드를 적층체 외부에 부착하기 때문에 연료전지 자체의 크기가 커지고 매니폴드와 적층체 사이의 기체밀봉에 어려움이 있어 안전성 확보에 문제가 생길 수 있다. 반면, 내부 매니폴드 방식에서는 기체밀봉에 문제가 없어 안전성은 확보될 수 있지만 적층체를 구성하는 단위전지의 수가 증가할수록 각 단위전지로 공급되는 반응기체의 양을 균일화 하는 것이 어려워 연료전지의 성능이 저하되는 문제가 있다. 또한 오작동이 일어나는 부위에 대해 반응기체의 공급이 효율적으로 조절되지 못하여 연료의 이용효율이 감소되고 연료전지의 성능이 저하되는 등의 문제는 외부 및 내부 매니폴드 모두 나타나는 문제였다.

본 발명에서는 반응기체 공급상의 상기와 같은 문제점을 고려하여, 기체밀봉이 간단하여 안전성의 확보가 용이하고 적층체 내의 각 단위전지에 반응기체를 균일하게 공급하는 것이 가능하며, 또한 오작동이 발생하는 부위에는 반응기체의 공급을 중단시켜 연료의 이용효율을 증가시킴으로써 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 구조를 지닌 연료전지 적층체를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 적층제는 전해질을 보유하는 매트릭스 및 기체 확산 전극인 양극과 음극을 포함하는 단위전지가 바이폴라 판을 개재하여 직렬로 적층됨으로써 형성되는 연료전지 적층체에 있어서, 일정한 갯수의 단위전지로 구성된 블럭과 이러한 블럭이 복수개 적층되어 연료전지 적층체를 형성하며 블럭과 블럭, 블럭과 단위전지들이 외부 매니폴드와 내부 매니폴드에 의해 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 적층체에서는, 반응기체가 외부로부터 외부 매니폴드에 의해 각각의 블럭으로 공급되며, 각 블럭의 내부에는 각각의 단위전지로는 내부 매니폴드에 의해 반응기체가 분배 공급된다.

제4도는 본 발명에 의한 연료전지의 적층체를 구조적으로 도시한 개념도이다. 제4도를 참조하여 본 발명의 연료전지 적층체에 대해 구조면에서 상세히 설명하기로 한다.

반응기체는 반응기체 입구(41)를 통해 외부로부터 외부 매니폴드 방식에 의해 일단 각 블럭으로 공급된다. 이때 각 블럭에 공급되는 반응기체의 양은 외부 매니폴드의 각 가지 끝에 설치된 밸브(49)를 조절함으로써, 균일하게 조절될 수 있다. 밸브(49)는 오작동이 발생하는 부위에 대해 외부로부터 기체 공급을 차단시키는 데도 이용될 수 있다. 각 블럭에 공급된 반응기체는 내부 매니폴드 방식에 의해 각 단위전지에 공급된다. 각 단위전지에 공급된 반응기체는 제1도를 참고로 하여 설명한 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는데 이용된다. 여기에서 반응하지 않고 남은 기체와 반응에 의해 생성된 수증기는 공급될 때와 반대로, 내부 매니폴드 방식에 의해 각 단위전지로부터 각 블럭으로 배출된 후 다시 외부 매니폴드 방식에 의해 외부로 배출된다.

본 발명의 구체적인 실시예에 의하면, 종래의 내부 매니폴드 방식에 의해 9개의 단위전지로 구성된 연료전지 적층체를 만들어 각 단위전지의 전압값의 최고치와 최저치를 측정한 결과 그 차이가 수백 mV에 달했다. 그러나, 본 발명에 의한 적층체의 경우에는 그 차이가 수십 mV로 낮아져 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있었으며, 연료전지의 적층체를 구성하는 단위전지의 수를 증가시킨 경우에도 전압값의 최고치와 최저치의 차이가 9단으로 이루어진 적층체의 경우에 비해 거의 변함이 없었다. 이로부터, 본 발명에 의하면, 단위전지의 수가 증가하더라도 외부 매니폴드와 내부 매니폴드에 의해 반응기체가 균일하게 분배, 공급된다는 것을 알 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 연료전지 적층체는, 본 출원인에 의한 한국 특허출원 94-1293호에 개시된 방법 등에 의해 특정 단위전지의 오작동이 감지되는 경우, 오작동되는 단위전지로의 반응기체 공급을 차단함으로써, 연료의 비효율적인 소모를 방지한다.

한편, 다수의 단위전지가 적층되어 이루어지는 대규모 연료전지 적층체의 경우에는, 일부 단위전지의 오작동시 정상적인 다른 단위전지도 성능이 저하되는 일이 발생한다. 이에 따라 전체 연료전지 적층체 성능의 저하를 초래하여 결국 전체 시스템 운전을 중단하고 수리하여야 하는 불편한 점이 있다. 그러나, 본 발명의 연료전지 적층체를 이용하면 정상적인 다른 단위전지의 보호가 가능하므로 상기와 같은 문제가 해결될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 일정한 갯수의 단위전지로 구성된 블럭을 여러개 적층하여, 외부에서 각각의 블럭으로는 외부 매니폴드 방식에 의해, 각 블럭의 내부에서 각각의 단위전지로는 내부 매니폴드 방식에 의해 반응기체가 분배 공급됨으로써 외부 매니폴드 방식과 내부 매니폴드 방식의 혼합 구조로 되어 있는 본 발명의 적층체에 의하면, 기체밀봉면에서 안전상의 확보가 용이하고 각 단위전지에 반응기체를 균일하게 공급 할 수 있으며, 오작동되는 부위로의 반응기체 공급을 차단시켜 연료의 이용효율을 증가시키는 한편 정상 운전중인 다른 단위전지의 성능 저하를 방지할 수 있으므로 장기간 운전시 전지성능에 획기적인 향상을 가져올 수 있으며, 연료전지 적층체에 대한 관리를 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 전해질을 보유하는 매트릭스 및 기체 확산 전극인 양극과 음극을 포함하는 단위전지가 바이폴라 판을 개재하여 직렬로 적층됨으로써 이루어지는 연료전지 적층체에 있어서, 일정한 갯수의 단위전지로 구성된 블럭과 이러한 블럭이 복수개 적층되어 연료전지 적층체를 형성하며 블럭과 블럭, 각 블럭과 단위전지들이 외부 매니폴드와 내부 매니폴드에 의해 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 적층체.
2. 제1항에 있어서, 외부로부터 연료전지 내부로 공급되는 반응기체가 상기 외부 매니폴드에 의해 외부로부터 상기 각각의 블럭으로 공급되고, 상기 내부 매니폴드에 의해 각 블럭으로부터 각각의 단위전지로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 적층체.
3. 제1항에 있어서, 외부로부터의 반응기체의 공급량을 조절하는 복수개의 밸브가 외부 매니폴드에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 적층체.