KR100664082B1 - 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료와 산소가 각각 유동하는 채널이 구비된 복수 개의 바이폴라 플레이트와, 상기 바이폴라 플레이트사이에 각각 위치하는 엠이에이와, 상기 바이폴라 플레이트의 채널 내벽에 형성되어 수분 응결을 방지하는 물 고임 방지면을 포함하여 구성된다. 이로 인하여, 스택을 구성하는 바이폴라 플레이트의 채널 내벽에 국부적으로 형성되는 응결수를 연료 및 공기의 유동과 함께 채널 외부로 배출시키게 되므로 채널의 내부에 응결수가 잔류하는 것을 방지하게 되어 단위 전지들간의 전위 편차를 줄이게 됨으로써 단위 전지의 수명을 연장시키고, 또한 스택에서의 전기 에너지 발생 효율을 높일 수 있도록 한 것이다.

Description

연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조{STRUCTURE FOR PREVENTING CONDENSATION IN STACK OF FUEL CELL}

도 1은 일반적인 연료 전지의 일예를 도시한 배관도,

도 2는 상기 연료 전지를 구성하는 스택부를 도시한 정면도,

도 3은 상기 연료 전지의 스택부를 구성하는 단위 전지를 분해하여 도시한 사시도,

도 4는 본 발명의 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조가 구비된 연료 전지의 일예를 도시한 배관도,

도 5는 본 발명의 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조가 구비된 단위 전지를 분해하여 도시한 사시도,

도 6, 7은 본 발명의 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조의 일실시예가 구비된 바이폴라 플레이트의 정면도 및 측단면도,

도 8, 9는 본 발명의 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조의 일실시예가 구비된 바이폴라 플레이트의 정면도 및 측단면도,

도 10은 본 발명의 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조의 작동 상태를 도시한 단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

660; 바이폴라 플레이트 670; 엠이에이

C; 채널 E; 돌기

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 특히, 스택에서 발생되는 응결수의 배출을 원활하게 할 수 있도록 한 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지는 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 그 수소와 산소가 전기 화학적 반응을 일으키면서 연속적으로 전기를 발생시키는 장치이다. 이와 같은 연료 전지는 환경 친화적으로 전기 에너지를 생산하게 되므로 기존의 화석 연료를 대체하기 위하여 개발이 진행되고 있다.

도 1은 일반적인 연료 전지의 일예를 도시한 배관도로, 이에 도시한 바와 같이, 상기 연료 전지는 연료가 공급되는 연료 공급부(100)를 통해 개질부(200)에 연료가 공급되어 그 개질부(200)에서 수소를 정제하여 스택부(300)의 연료극(P)에 수소를 공급하게 된다. 이와 동시에 공기가 공급되는 공기 공급부(400)를 통해 개질부(200)에 공기가 공급됨과 동시에 스택부(300)의 공기극(N)에 공기가 공급된다.

상기 스택부(300)의 연료극(P)에 공급되는 수소와 공기극(N)에 공급되는 산소가 그 스택부(300)에서 전기 화학적 반응을 일으키면서 전기 에너지와 부산물로 반응열과 물 등을 생성시키게 된다.

연료 전지의 스택부(300)에서 발생되는 전기 에너지는 변환 출력부(500)를 통해 상용 전원으로 변환되어 가정이나 식당 등의 가전 제품 및 조명 기기에 공급된다.

상기 연료는 LNG, LPG, CH₃OH 등의 탄화수소계(CH계열) 연료(도면은 LNG)이고, 상기 개질부(200)에서는 그 연료를 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 스택부(300)의 연료극(P)에 공급하게 된다.

상기 스택부(300)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 전기 화학적 반응이 일어나는 단위 전지가 한 개 또는 한 개 이상으로 결합된 스택(S)과 연결된 연료 공급라인(220)으로 수소가 공급됨과 동시에 그 스택(S)과 연결된 공기 공급라인(230)으로 공기가 공급된다. 그 연료 공급라인(220)과 공기 공급라인(230)으로 각각 공급된 수소와 공기는 그 연료 공급라인(220)과 공기 공급라인(230)을 통해 스택(S)을 구성하는 각 단위 전지의 연료극(미도시)과 공기극(미도시)에 각각 공급된다.

도 3은 스택을 구성하는 단위 전지를 분해하여 도시한 사시도로, 이에 도시한 바와 같이, 상기 스택(S)을 구성하는 단위 전지는 내부에 공기 또는 연료가 유동하는 오픈된 채널(C)이 형성된 두 개의 바이폴라 플레이트(240)와, 소정의 두께와 면적을 갖도록 형성되어 그 두 개의 바이폴라 플레이트(240) 사이에 위치하는 엠이에이(M.E.A; Membrame Electrode Assembly)(250)를 포함하여 구성된다.

상기 단위 전지가 다수개 적층된 경우 그 바이폴라 플레이트(240)와 엠이에이(250)가 서로 교번되게 배열된다.

상기 연료 공급라인(220)과 공기 공급라인(230)을 통해 각각 스택(S)으로 공급되는 수소와 공기는 그 스택(S)을 구성하는 각 단위 전지들에 공급된다. 그 과정을 보다 상세하게 설명하면, 상기 연료 공급라인(220)으로 공급되는 수소는 바이폴라 플레이트(240)의 일면에 형성된 채널(C)과 엠이에이(250)의 일면에 의해 형성되는 유로를 통해 공급되고, 상기 공기 공급라인(250)으로 공급되는 산소는 바이폴라 플레이트(240)의 타면에 형성된 채널(C)과 엠이에이(250)의 타면에 의해 형성되는 유로를 통해 공급된다. 상기 바이폴라 플레이트(240)에서 수소가 공급되는 측이 연료극이 되고 상기 공기가 공급되는 측이 공기극이 된다.

상기 스택(S)을 구성하는 단위 전지들의 각 연료극에 공급된 수소는 그 연료극에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 양이온과 전자(e-) 로 이온화되고 그 이온화된 양이온은 엠이에이(250)의 전해질막을 통해 공기극으로 이동하게 되며 이와 동시에 그 전자(e-) 는 연료극을 통해 이동하게 된다. 상기 전자의 이동으로 전기 에너지를 발생시키게 되고, 상기 공기극으로 이동한 양이온은 그 공기극측으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물 등의 부산물을 발생시키게 된다. 상기 연료극은 양극(anode)이 되고 공기극(cathode)은 음극이 된다.

상기 단위 전지들의 각 연료극에서 반응을 거친 수소와 상기 공기극에서 발생되는 물 및 기타 부산물은 스택에 연결되는 상기 배출라인(260)(270)을 통해 각각 배출된다.

미설명 부호 170은 체결 수단을 구성하는 볼트이고, 271은 너트이다.

그러나 상기한 바와 같은 연료 전지는 운전 중 개질부(200)에서 정제된 수소가 연료 공급라인(220)을 통해 스택(S)으로 공급되고 이와 동시에 공기가 공기 공급라인(230)을 통해 스택(S)으로 공급되는 과정에서 상기 스택(S)의 온도에 의해서 그 수소 및 공기의 상대 습도가 상승하게 되어 스택(S)의 단위 전지들을 구성하는 바이폴라 플레이트(240)의 채널(C) 내벽에 수분이 응결되는 된다. 상기 스택(S)은 수소와 산소의 전기 화학 반응 속도를 높이기 위하여 고온으로 유지된다. 즉, 초기 운전시 스택(S)을 가열하게 되고 정상 운전시 반응열에 의해 고온 상태로 유지된다.

상기 바이폴라 플레이트(240)의 채널(C) 내벽에 수분이 응결되어 고임에 따라 각 단위 전지들간의 전위 편차가 커지게 됨으로써 단위 전지의 수명을 단축시키게 되고, 또한 스택(S)에서의 전기 에너지 발생 효율을 저하시키게 되는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 고안한 본 발명의 목적은 스택에서 발생되는 응결수의 배출을 원활하게 할 수 있도록 한 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연료와 산소가 각각 유동하는 채널이 구비된 복수 개의 바이폴라 플레이트와, 상기 바이폴라 플레이트사이에 각각 위치하는 엠이에이와, 상기 바이폴라 플레이트의 채널 내벽에 형성되어 수분 응결을 방지하는 물 고임 방지면을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조가 제공된다.

이하, 본 발명의 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조의 일 실시예가 구비된 연료 전지의 스택을 도시한 정면도이고, 도 5는 상기 스택을 구성하는 단위 전지를 분해하여 도시한 사시도이며, 도 6은 상기 스택을 구성하는 바이폴라 플레이트의 평면도이고, 도 7은 상기 바이폴라 플레이트의 단면도이다.

이에 도시한 바와 같이, 상기 연료 전지 스택(S)은 단위 전지가 한 개 또는 한 개 이상이 적층되어 이루어지며, 상기 스택(S)에 연료인 수소가 공급되는 연료 공급라인(620)과 산소가 공급되는 공기 공급라인(630)이 각각 연결된다. 그리고 상기 스택(S)에 반응 후 잔류물들이 배출되는 배출라인(640)(650)들이 연결된다.

상기 스택(S)을 구성하는 단위 전지는 일면에 연료가 공급되는 채널(C)이 구비되고 타면에 공기가 공급되는 채널(C)이 구비된 두 개의 바이폴라 플레이트(660)들과, 그 바이폴라 플레이트(660)들 사이에 위치하는 엠이에이(670)를 포함하여 구성된다.

상기 바이폴라 플레이트(660)의 일예로, 바이폴라 플레이트(660)는 일정 두께와 사각 형태의 면적을 갖는 플레이트(661)의 각 모서리에 관통구멍(662)(663)(664)(665)이 형성되고, 그 플레이트(661)의 양측면에 각각 연료 또는 공기가 유동하는 채널(C)들이 각각 굴곡되게 형성되어 이루어진다. 상기 네 개의 관통구멍(662)(663)(664)(665)들 중 한쪽 변에 위치하는 두 개의 관통구멍들(도면상 상측변에 위치하는 관통구멍들)(662)(663)은 유입측 관통구멍이고, 그 반대편인 다른 쪽 변에 위치하는 두 개의 관통구멍들(도면상 하측 변에 위치하는 관통구멍들)(664)(665)은 유출측 관통구멍들이다. 상기 유입측 관통구멍(662)(663)들은 연료 공급라인(620)과 공기 공급라인(630)에 각각 연결되고, 상기 유출측 관통구멍(664)(665)들은 배출 라인(640)(650)들과 각각 연결된다.

상기 플레이트(661)의 한 쪽면에 형성되는 채널(C)들은 서로 대각선상에 위치하는 하나의 유입측 관통구멍(662)과 하나의 유출측 관통구멍(665)을 연결시키도록 형성되며, 그 채널(C)들은 상기 엠이에이(670)의 접촉면과 접촉되는 면적을 크게 하기 위하여 지그재그 형태로 형성된다.

상기 플레이트(661)의 다른 한 쪽면에 형성되는 채널(C)들은 대각선상에 위치하는 하나의 유입측 관통구멍(663)과 유출측 관통구멍(664)을 연결하도록 형성되며, 그 유입측 관통구멍(663)과 유출측 관통구멍(664)은 그 플레이트(661)의 다른 쪽면에서 채널(C)들에 의해 연결되는 유입측 관통구멍(662)과 유출측 관통구멍(665)과 다른 것이다.

상기 채널(C) 단면 형상의 일예로, 그 채널(C) 단면 형상은 일정 폭과 깊이를 갖는 한쪽이 개구된 사각 형태로 형성된다.

상기 바이폴라 플레이트(660)의 채널(C) 내벽에 수분의 응결을 방지하는 물 고임 방지면이 구비된다. 상기 물 고임 방지면은 그 채널(C)의 내면에 돌기(E)들이 구비되어 이루어진다. 상기 물 고임 방지면은 채널의 바닥면과 양측면에 형성됨이 바람직하다. 상기 물 고임 방지면이 돌기들을 포함하여 이루어진 경우 돌기(E)들은 채널(C)의 바닥면과 양측면에 형성되며, 그 돌기(E)들이 형성되는 부분은 채널(C)의 바닥면과 양측면의 일부분 또는 전체에 걸쳐 형성된다.

상기 돌기(E)들은 반구 형태인 엠보싱 형상으로 형성됨이 바람직하다.

상기 돌기(E)들은 다른 형태로, 돌기(E)의 단면 형상이 타원 형태가 되도록 형성될 수 있다.

상기 돌기(E)들은 반구 형태 및 타원 형태 이외에도 다양한 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 바이폴라 플레이트(260)의 채널(C)은, 도 8, 9에 도시한 바와 같이, 다수개로 이루어지지 않고 하나의 채널(C)로 형성될 수 있다. 이와 같은 경우 상기 채널의 바닥면과 양측면에 각각 돌기(E)들이 형성된다. 채널(C)이 하나로 형성될 경우 유체의 유동 저항을 줄일 수 있게 된다.

이와 같이, 상기 바이폴라 플레이트(660)에 형성되는 채널은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 경우 돌기들은 채널의 내측면에 형성된다.

상기 바이폴라 플레이트(660)는 분말을 성형하고 그 성형된 분말을 소결하여 제작됨이 바람직하다. 그리고 상기 돌기(E)들을 성형하는 방법 중의 하나로, 분말로 성형된 바이폴라 플레이트(660)를 소결하기 전 그 분말로 성형된 바이폴라 플레이트(660)의 내벽에 코팅을 입혀 그 돌기(E)들의 형태를 형성하고 그 분말로 성형된 바이폴라 플레이트(660)와 함께 소결하게 된다.

한편, 상기 엠이에이(670)는 소정의 면적을 갖는 전해질막의 양측면에 각각 전극이 구비되어 이루어진다. 상기 엠이에이(670)는 두 개의 바이폴라 플레이트(660)의 사이에 위치하여 그 엠이에이(670)의 일측면을 이루는 전극이 바이폴라 플레이트(660)의 채널(C)과 함께 유체가 유동하는 유로를 형성하게 될 뿐만 아니라 그 엠이에이(670)의 타측면을 이루는 전극이 다른 바이폴라 플레이트(660)의 채널(C)과 함께 유체가 유동하는 유로를 형성하게 된다.

미설명 부호 680은 체결수단을 구성하는 볼트이고, 681은 너트이다

이하, 본 발명의 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 개질부(200)에서 정제된 수소가 연료 공급라인(620)을 통해 스택(S)으로 공급됨과 동시에 상기 공기 공급라인(630)을 통해 스택(S)으로 공기가 공급된다. 상기 스택(S)으로 공급된 수소는 각 단위 전지를 구성하는 바이폴라 플레이트(660)의 유입측 관통구멍(662)을 통해 채널(C)들로 유입되고 그 채널(C)들로 유입된 수소는 그 채널(C)을 따라 유동하게 된다. 이와 동시에 상기 공기 공급라인(630)으로 유입된 공기는 각 단위 전지를 구성하는 바이폴라 플레이트(660)의 유입측 관통구멍(663)을 통해 채널(C)로 유입되고 그 채널(C)로 유입된 공기는 그 채널(C)을 따라 유동하게 된다.

상기 바이폴라 플레이트(660)의 채널(C)을 통과하는 수소는 엠이에이(670)의 일측면을 이루는 전극(연료극)과 접촉 유동하면서 그 전극에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나게 되고 이와 동시에 다른 바이폴라 플레이트(660)의 채널(C)을 흐르는 공기는 엠이에이(670)의 다른면을 이루는 전극(공기극)과 접촉 유동하면서 전기 화학적 환원 반응이 일어나게 된다. 이와 같은 전기 화학적 반응에 의해 전기 에너지가 발생되며 아울러 반응열과 물 등의 부산물이 발생된다.

상기 단위 전지들의 각 연료극에서 반응을 거친 수소와 상기 공기극에서 발생되는 물 및 기타 부산물은 스택(S)에 연결되는 상기 배출라인(640)(650)을 통해 각각 배출된다.

또한, 개질부(200)에서 정제된 수소가 연료 공급라인(620)을 통해 스택(S)으로 공급되고 이와 동시에 공기가 공기 공급라인(630)을 통해 스택(S)으로 공급되는 과정에서 상기 스택(S)의 온도에 의해서 그 수소 및 공기의 상대 습도가 상승하게 되어 스택(S)의 단위 전지들을 구성하는 바이폴라 플레이트(660)의 채널(C) 내벽에 수분이 응결되는 된다. 이와 같이 바이폴라 플레이트(660)의 채널(C) 내벽에 응결되는 응결수는, 도 10에 도시한 바와 같이, 그 채널(C) 내벽에 형성된 돌기(E)들에 의해 그 돌기들과 접촉되는 표면 접촉각이 작아지게 되어 그 채널(C)을 통해 유동하는 수소 또는 공기에 의해 자연스럽게 미끄러져 채널(C) 밖으로 유동하게 된다. 그 채널(C) 밖으로 유동하는 물방울은 배출 라인(640)(650)들을 통해 각각 배출된다.

특히, 상기 바이폴라 플레이트(660)의 채널(C) 내벽에 형성된 돌기(E)들이 반구 형태를 갖는 엠보싱 형태로 형성된 경우 그 돌기(E)들의 표면에 응결되는 수분이 보다 효과적으로 유동하게 된다.

본 발명은 연료 및 공기가 유동하는 바이폴라 플레이트(660)의 채널(C) 내벽에 돌기(E)들을 형성하게 됨으로써 그 채널(C)의 내벽에 형성되는 응결수를 연료 및 공기의 유동과 함께 쉽게 유동시켜 채널(C)밖으로 배출시키게 되어 그 채널(C)내부에 국부적으로 응결수가 고이는 것을 방지하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조는 스택을 구성하는 바이폴라 플레이트의 채널 내벽에 국부적으로 형성되는 응결수를 연료 및 공기의 유동과 함께 채널 외부로 배출시키게 되므로 채널의 내부에 응결수가 잔류하는 것을 방지하게 됨으로써 단위 전지들간의 전위 편차를 줄이게 되어 단위 전지의 수명을 연장시키고 또한 스택에서의 전기 에너지 발생 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 연료와 산소가 각각 유동하는 채널이 구비된 복수 개의 바이폴라 플레이트와;

   상기 바이폴라 플레이트사이에 각각 위치하는 엠이에이와;

   상기 바이폴라 플레이트의 채널 내벽에 형성되어 수분 응결을 방지하는 물 고임 방지면을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 물 고임 방지면은 엠보싱 형상으로 형성된 돌기들이 구비된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트의 채널은 일정 폭과 깊이를 길이를 갖도록 형성되며, 상기 물 고임 방지면은 그 채널의 바닥면과 양측면에 모두 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 물 고임 방지면은 코팅 처리에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조.
5. 유체가 유동하는 바이폴라 플레이트의 채널 내벽에 응결 수분의 유동을 촉진 시키는 엠보싱 형태의 돌기들이 구비된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 응결수 고임 방지구조.

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