KR100745738B1 - 유로가 개선된 냉각판 - Google Patents

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Abstract

부위별 온도 편차를 줄일 수 있도록 유로가 개선된 냉각판이 개시된다. 개시된 냉각판의 유로는, 냉각수가 출입되는 유입구 및 유출구 부근보다 그 사이의 중앙부 체적이 더 커서 그 중앙부를 통과하는 냉각수의 유량이 상대적으로 더 많아지도록 구성되어 있다. 이러한 구성의 냉각판은 부위별 온도 편차가 작게 발생하기 때문에 열응력에 의한 변형의 위험도 낮고, 연료전지와 같은 냉각 대상체에 저항 변화 등의 악영향을 미칠 가능성이 줄어들어서 안정된 성능을 보장할 수 있다.

Description

유로가 개선된 냉각판{A cooling plate providing improved channel}
도 1은 일반적인 연료전지의 발전 원리를 보인 도면,
도 2는 종래의 냉각판이 채용된 연료전지의 스택 구조를 도시한 도면,
도 3은 도 2에 도시된 연료전지의 스택 중 단위 셀에서의 물질 순환 구조를 보인 도면,
도 4는 도 2에 도시된 냉각판의 부위별 온도 분포를 보인 도면,
도 5는 본 발명의 냉각판이 채용된 연료전지의 스택 구조를 도시한 도면,
도 6은 도 5에 도시된 냉각판을 확대하여 도시한 도면,
도 7 내지 도 10은 도 5에 도시된 냉각판의 부위별 온도 분포를 여러 변수를 조정하며 시뮬레이션해본 결과를 나타낸 그래프.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100...냉각판 110...유로
110a...유입구(inlet) 110b...유출구(outlet)
111...유로의 유입구 부근 112...유로의 중앙부
113...유로의 유출구 부근
본 발명은 연료전지 등의 냉각 프로세스에 사용되는 냉각판에 관한 것으로서, 특히 부위별 온도 편차를 줄일 수 있도록 유로가 개선된 냉각판에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 도 1은 이러한 연료전지의 에너지 전환 구조를 개략적으로 보인 것으로, 도면과 같이 캐소드(cathode; 1)에 산소를 포함한 공기가, 애노드(anode; 3)에 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(2)을 통해 물의 전기분해와 역반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다. 그런데, 통상적으로 이러한 단위 셀(10) 하나에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 도 2와 같이 여러 개의 셀(10)을 직렬로 연결한 스택(stack;20)의 형태로 사용하게 된다. 이 스택(20)에 적층되어 있는 각 셀(10)에는 도 3에 도시된 바와 같이 바이폴라플레이트(4)의 면 유로(4a)를 포함하여 수소나 산소가 각 전극(1)(3)에 공급되고 회수되기 위한 유로가 연결되어 있다. 따라서, 도 2와 같이 스택(20)의 엔드플레이트(21)를 통해 외부로부터 수소와 산소를 공급하면, 각 셀(10)의 유로를 통해 해당 전극에 해당 물질이 경유하며 순환하게 된다. 물론, 위에서 언급한 바와 같이 수소는 화학연료의 형태로, 산소는 공기의 형태로 공급된다.
한편, 이와 같이 전기화학반응 과정에서는 전기 뿐 아니라 열도 같이 발생하기 때문에, 연료전지의 원활한 가동을 위해서는 이 열을 계속해서 식혀줄 필요가 있다. 이를 위해 연료전지에는 도 2와 같은 열교환기(30)가 함께 구비되어 있고, 스택(20)에는 열교환용 냉각수가 지나가기 위한 냉각판(5)이 5~6개 셀(10)마다 설치되어 있다. 따라서, 냉각수가 이 냉각판(5)의 유로(5a; 도 3 참조)를 통과하면서 스택(20) 내의 열을 냉각수가 흡수하고, 이렇게 열을 흡수한 냉각수는 열교환기(30) 안에서 2차 냉각수에 의해 식혀진 후 다시 스택(20)안으로 순환하게 된다.
그런데, 이와 같은 냉각이 진행될 때의 냉각판(5)의 부위별 온도를 측정해보면, 도 4에 도시된 바와 같이 흡열 작용이 가장 활발한 중앙부의 온도가 가장 높고, 냉각수가 들어오고 나가는 유입구(5a-1)와 유출구(5a-3) 주변의 온도는 상대적으로 낮은 분포를 보인다. 이것은 열교환기(30)에서 식혀진 냉각수가 유입구(5a-1)로 들어온 후 중앙부(5a-2)를 통과하며 가장 많은 열을 흡수하고, 다시 중앙부(5a-2)를 벗어나 유출구(5a-3)로 빠져나가는 동안 약간 식혀지기 때문에 당연히 예측되는 온도 분포이다. 그러나 문제는 그 중앙부와 양단부 간의 온도 편차가 너무 심하다는 점이다. 즉, 실제 측정해 본 결과에 의하면 도 4와 같이 중앙부의 온도는 약 150℃에 이르고, 유입구(5a-1) 부근은 약 135℃, 유출구(5a-3) 부근은 약 140℃가 되어, 같은 냉각판(5) 내에서 부위별로 10~15℃의 심한 온도편차가 생기는 것으로 나타나고 있다. 이렇게 온도 편차가 심하게 되면, 열응력을 받아서 냉각판(5)이 변형될 위험이 있을 뿐만 아니라, 무엇보다 인접한 셀(10)에서의 전기화학반응에도 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 즉, 온도 차이가 커지면 셀(10) 내의 전해질막(2)에서도 부위별로 저항값이 크게 달라지기 때문에, 전류밀도의 편차가 심해지고, 결국 안정된 전압을 생성할 수 없게 된다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 부위별 온도 편차를 최소화 할 수 있는 새로운 형태의 냉각판이 요구되고 있다.
본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 부위별 온도 편차를 가능한 한 줄일 수 있도록 냉각수 유로의 구조가 개선된 냉각판을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 발열체의 열을 흡수하는 냉각수의 유로가 마련된 냉각판에 있어서, 상기 유로는 상기 냉각수가 출입되는 유입구 및 유출구 부근보다 그 사이의 중앙부 체적이 더 커서, 그 중앙부를 통과하는 냉각수의 유량이 상대적으로 더 많아지도록 된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 유입구 부근과 유출구 부근 중에는 상기 유출구 부근의 유로 체적이 더 큰 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉각판은 연료전지의 스택에 냉각수가 수직으로 흐르도록 장착되어 에너지 변환 과정 중 발생되는 열을 식히는데 사용될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되 어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 5는 본 발명에 따른 냉각판(100)이 사용되는 연료전지의 스택(20)을 도시한 것이고, 도 6은 그 냉각판(100)을 확대하여 도시한 것이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 냉각판(100)도, 예시된 연료전지의 스택(20) 등에 장착되어 냉각수를 유로(110)로 흘려보내면서 발열체로부터 열을 흡수하는 역할을 하게 된다. 즉, 각 냉각판(100)의 유입구(110a)를 통해 들어온 냉각수가 유로(110)를 흘러가면서 발열체인 연료전지의 셀(10)로부터 열을 흡수하고, 유출구(110b)를 통해 빠져나간 후 열교환기(30)에서 다시 식혀져서 되돌아오는 순환을 하게 된다.
그런데, 본 발명의 냉각판(100)은 유로(110)가 기존처럼 일직선형으로 형성되어 있지 않고, 중앙부(112)가 양단부(111)(113)에 비해 냉각수를 더 많이 수용할 수 있도록 체적이 차등화된 모양으로 형성되어 있다. 이것은 냉각판(100)의 중앙부(112)가 양단부(111)(113)에 비해 더 많은 열과 접촉하기 때문에 냉각능력을 더 부여하기 위한 조치로서, 본 실시예에서는 유로(100)의 폭을 차등화해서 체적을 구간별로 다르게 만들었다. 즉, 중앙부(112)의 폭을 양단부인 유입구(110a) 부근(111)과 유출구(110b) 부근(113) 보다 넓게 만들어 냉각수가 수용되는 공간을 크게 함으로써, 중앙부(112)의 냉각능력을 상대적으로 더 키워준 것이다. 이렇게 되 면 중앙부(112)를 흐르는 냉각수의 양이 유입구(110a) 부근(111)이나 유출구(110b) 부근(113)에 비해 많아지기 때문에, 상대적으로 열이 많이 발생되는 영역과 접촉하는 만큼 많은 양의 열을 흡수할 수 있게 된다.
이와 같이 구간별로 냉각능력이 차등화된 냉각판(100)을 연료전지에 장착해서 사용했을 경우의 구간별 온도를 시뮬레이션 해 본 결과, 도 7의 그래프와 같은 결과를 확인할 수 있었다. 여기서는 유입구(100a) 부근(111)-중앙부(112)-유출구(100b) 부근(113)의 폭을 각각 3mm-7mm-4mm로 만든 경우(실선)와, 3mm-5mm-4mm로 만든 경우(점선)로 설정하여 시뮬레이션을 실시해보았는데, 그래프에 나타난 바와 같이 두 경우 모두 종래에 비해 중앙부(112)의 온도가 상당히 내려가 있는 것을 알 수 있다. 이것은 예상된 대로 중앙부(112)의 냉각능력 증대에 기인한 것이며, 냉각판(100)의 부위별 최고온도와 최저온도 차이도 기존에 비해 절반 정도로 줄어들게 된다. 따라서, 부위별 온도 편차가 기존에 1/2로 감소하게 되므로, 열응력에 의한 변형 발생의 가능성이나 저항 변화에 의한 전류밀도 편차 발생 가능성을 현저히 줄일 수 있다.
도 8은 유입구(100a) 부근(111)-중앙부(112)-유출구(100b) 부근(113)의 폭을 각각 3mm-7mm-4mm로 만든 경우에 있어서 냉각수의 유량을 최대 수위의 80%로 했을 경우(실선)과, 50%로 했을 경우(점선)의 냉각판(100) 온도 분포를 시뮬레이션 해본 것이다. 여기서도 유량에 따라 전체적으로 온도가 증감되는 것은 있지만, 마찬가지로 기존에 비해 부위별 온도 편차는 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 발열량의 척도인 히트 플럭스(heat flux)가 많을 경우(실선)와 적을 경우(점선)에 온도 분포를 기존과 비교해서 시뮬레이션 해본 것인데, 마찬가지로 발열량에 따른 전체적인 온도의 증감은 있지만, 부위별 온도 편차가 감소하는 패턴은 그대로 나타나고 있다.
따라서, 이러한 시뮬레이션 결과들을 종합해보면, 본 발명과 같이 중앙부(112)의 냉각수 수용 체적을 양단부(111)(113)에 비해 크게 한 경우, 여러 가지 다른 변수가 작용하더라도 냉각판(100)의 부위별 온도 편차를 기존에 비해 1/2수준으로 줄일 수 있는데는 변함이 없음을 알 수 있다.
한편, 위에서 예시된 실시예에서는 유입구(100a) 부근(111)과 유출구(100b) 부근(113) 중에 유출구(110b) 부근(113)의 체적을 더 크게 만든 경우를 예시하였는데, 물론 반대로 유입구(110a) 부근(111)이 더 커지게 만들 수도 있다. 그런데, 그렇게 할 경우에는 도 10의 시뮬레이션 결과에 나타난 바와 같이 유출구(100b) 부근(113)의 온도가 높아져서 전체적인 온도 편차가 8~9℃ 정도 생기는 것을 알 수 있다. 이것은, 유입구(100a) 부근(111)은 식혀진 냉각수가 지나가는 구간이고, 유출구(100b) 부근(113)이 중앙부(112)를 통과한 흡열 상태의 냉각수가 지나는 구간이라서 상대적으로 유출구(110b) 부근(113)의 온도가 높은데, 반대로 유출구(100b) 부근(113)의 유로(110)를 작게 만들었기 때문에 나타나는 현상으로 판단된다. 물론, 중앙부(112)의 온도가 낮아지므로 기존에 비해서는 전체적인 온도편차가 조금 줄기는 하지만, 바람직하기로는 유로의 체적을 『중앙부(112) > 유출구(100b) 부근(113) > 유입구(100a) 부근(111)』의 순서로 만드는 것이 온도 편차를 최소화하는데 있어서 가장 효과적이다.
한편, 위에서 언급한 실시예에서는 유로의 폭을 달리하여 냉각수가 수용되는 체적을 변화시켰는데, 이외에 유로의 깊이나 길이를 차별화하여 체적을 조정할 수도 있음은 물론이다.
상기와 같은 본 발명의 냉각판은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 냉각수가 지나는 유로를 부위별로 차등화하여 온도 편차를 줄임으로써 열응력에 의한 변형의 위험을 줄일 수 있다.
둘째, 온도 편차가 감소하기 때문에 연료전지와 같은 발열체에 저항 변화 등의 악영향을 미칠 가능성이 줄어든다. 따라서, 발열체 즉, 냉각 대상체의 안정된 성능을 보장할 수 있다.
셋째, 바이폴라 플레이트 내의 균일한 온도분포를 통해 열적 스트레스를 줄여줌으로써 플레이트 또는 스택 구성요소의 열적 내구성 증대, MEA(membrane electrode assembly)의 내구성 증대 등의 효과를 얻을 수 있다.
넷째, MEA의 온도편차를 기존의 것보다 2배 이상 줄여줌으로써 전류밀도의 안정성 등을 얻을 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (4)

  1. 발열체의 열을 흡수하는 냉각수의 유로가 마련된 냉각판에 있어서,
    상기 유로는 상기 냉각수가 출입되는 유입구 및 유출구 부근보다 그 사이의 중앙부 체적이 더 커서, 그 중앙부를 통과하는 냉각수의 유량이 상대적으로 더 많아지도록 된 것을 특징으로 하는 냉각판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입구 부근 보다 상기 유출구 부근의 유로 체적이 더 큰 것을 특징으로 하는 냉각판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수가 상기 유입구에서 유출구까지 수직으로 흐르도록 배치된 것을 특징으로 하는 냉각판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발열체는 연료전지의 스택에 장착된 셀로서, 그 셀에서의 에너지 변환 과정 중 발생되는 열을 식히는데 사용되는 것을 특징으로 하는 냉각판.
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