KR100916394B1 - 연료전지차량용 스택의 모듈화 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지차량용 스택의 모듈화 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 셀을 모듈화하여 서브스택을 구성하고, 서브스택을 연결하여 전체 스택을 구성하며, 연료전지 스택에서 일부 셀의 성능저하시 일부 셀만을 제거한 후, 일부 셀 대신에 전도성 블럭을 교체하여 교체전과 동일한 상태로 서브스택을 연결함으로써, 전체 연료전지시스템의 큰 성능 차이 없이 운전이 가능하여 안정성을 확보할 수 있도록 한 연료전지차량용 스택의 모듈화 구조에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 복수의 셀이 모듈화된 서브 스택; 상기 서브 스택에 각각 형성된 수소, 공기 및 냉각수 유로; 상기 수소, 공기 및 냉각수 유로에 수소, 공기 및 냉각수를 공급하기 위한 연결배관;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 스택의 모듈화 구조를 제공한다.

스택, 서브, 모듈

Description

연료전지차량용 스택의 모듈화 구조{Module of stack structure for fuel cell}

본 발명은 연료전지차량용 스택의 모듈화 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 셀을 모듈화하여 서브스택을 구성하고, 서브스택을 연결하여 전체 스택을 구성하며, 연료전지 스택에서 일부 셀의 성능저하시 일부 셀만을 제거한 후, 일부 셀 대신에 전도성 블럭을 교체하여 교체전과 동일한 상태로 서브스택을 연결함으로써, 전체 연료전지시스템의 큰 성능 차이 없이 운전이 가능하여 안정성을 확보할 수 있도록 한 연료전지차량용 스택의 모듈화 구조에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.

상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응 열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.

이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.

상기 연료전지스택은 연료전지 차량의 주동력공급원으로서, 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치이다.

또한, 자동차에 적용되는 연료전지스택은 도 1에 도시한 바와 같이 높은 전력(전압)을 얻기 위해 캐소드와 애노드로 이루어진 약 400개 이상의 단위전지(cell;셀)(1)를 적층하여 구성되어 있고, 각 단위전지(1)는 약 0V ~1.23V의 전압을 형성한다.

현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지스택은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이다.

상기 단위전지에 공기 및 수소를 공급하고, 각 단위전지의 성능을 최적화하고 운전 안전성을 확보하기 위해 상기 단위전지에 냉각수를 공급한다.

그러나, 스택 내 일부 셀의 성능이 악화되었을 경우에, 일부 셀의 발열량 과다로 셀 내 전해질 막이 파손되어 캐소드와 애노드가 쇼트(short)되는 것과 같은 안전상의 문제가 있다.

또한, 상기 일부 셀의 성능 저하는 주변 셀의 내구성을 떨어뜨려 전체 연료전지시스템의 내구성을 떨어뜨리게 되므로, 통상 연료전지 시스템의 안전성 및 내 구성 유지를 위해 시스템의 최고 성능은 일부 셀의 성능 수준으로 낮추어 운전되도록 제어하는 알고리즘을 가지고 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 일부 성능이 감소한 셀을 교체하면 본래 연료전지 시스템의 성능을 확보할 수 있지만, 교체가 어렵고, 내연기관 엔진과 달리 연료전지 스택은 화학 물질에 민감하므로 교체시 전반적인 성능 감소로 이어질 수 있다.

또한, 긴급 상황에서 연료전지차량의 운전 중 여러 셀의 성능이 크게 악화되고, 연료전지차의 운전이 불가능해 질 수 있다.

그리고, 스택(2)은 수백개의 셀(1)이 적층되는 구조로 이루어지고, 각 셀과 셀은 수백개의 가스켓에 의해 밀봉되어 있고, 공기, 수소 및 냉각수는 각 유로를 통해 전체 셀을 통과한다.

따라서, 스택 제작과정에서 1개의 셀과 셀 간의 누설은 전체 스택의 누설로 이어지고, 셀 수가 많을 수록 누설 확률이 높아지며, 셀을 적층하는 작업에서 각 셀의 두께 공차에 의한 누적 공차 증가로 조립 정합성이 떨어져 높은 전력의 스택 제작에 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 복수의 셀을 모듈화하여 서브 스택 모듈을 구성하고, 서브 스택을 직렬로 연결함으로써, 스택 내 셀 중 여러 셀의 성능 저하시 성능저하 셀이 포함된 모듈을 제거하고 전도성 블럭 또는 와이어로 직렬 연결하여 일부 셀의 성능저하로 인한 전체 시스템의 큰 성능저하 없이 운전이 가능할 뿐만 아니라, 셀 간 누설문제의 해결이 쉽고 전체 스택의 조립 정합성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지차량용 스택의 모듈화 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지차량용 스택의 모듈화 구조에 있어서,

복수의 셀이 모듈화된 서브 스택; 상기 서브 스택에 각각 형성된 수소, 공기 및 냉각수 유로; 상기 수소, 공기 및 냉각수 유로에 수소, 공기 및 냉각수를 공급하기 위한 연결배관;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 셀 중 일부 셀에 성능저하가 발생할 경우에 성능저하가 발생된 셀을 포함하는 특정 서브스택을 제거한 후, 상기 특정 서브스택이 제거된 자리에 전도성 블럭 또는 와이어를 삽입하여 서브스택을 직렬로 연결하고, 수소, 공기 및 냉각수 유로를 보호캡으로 막는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 서브 스택은 다수의 셀이 직렬로 연결되어 적층되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서브 스택은 서로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수소, 공기 및 냉각수는 하나의 구동모터에 의해 공급되고, 각 서브 스택으로 배관되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지차량용 스택의 모듈화 구조에 의하면, 스택 전체를 분리할 필요없이 수백개의 셀을 다수의 서브 스택으로 모듈화 함으로써, 일부 특정셀에 성능저하가 발생하더라도 특정셀이 포함된 서브스택만을 제거하여 전체 연료전지 시스템의 큰 성능 저하 없이 운전이 가능하다.

또한, 상기 서브 스택의 모듈화로 일부 셀이 포함된 서브 스택의 교체가 용이하고, 전체 스택을 분리하는데 필요한 시간 및 비용을 절감할 수 있고, 긴급 상황에서 일부 셀의 성능 저하 발생시 긴급 대처가 가능하다.

또한, 상기 서브 스택은 직렬로 연결된 상태이므로, 특정 서브 스택 제어 없이 교체전과 동일한 상태로 일관된 제어가 가능하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 3은 연료전지스택에서 일부 셀의 성능저하를 설명하기 위한 그래 프이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 서브 스택 및 연료전지스택을 설명하기 위한 개략도이다.

연료전지스택은 일반적으로 수백개의 셀(11)이 직렬로 연결되는데, 일부 셀의 성능 저하가 발생하면 성능저하 발생 셀의 성능에 맞추어 전체 연료전지스택을 운전한다.

성능저하 발생 셀의 성능 이상으로 운전할 경우에 주변 셀의 성능저하에 영향을 줄 뿐만 아니라, 특정 셀의 성능저하가 클 경우에 안전성에 문제가 발생하기 때문이다.

또한, 종래의 스택(2)은 셀(1) 내부의 수소, 공기 및 냉각수 유로가 각각 하나로 연결되는 구조로 이루어져 있어서, 셀과 셀의 접합점에 누설이 발생하게 되면 전체 시스템의 누설이 발생하므로 수백개 셀의 조립에 어려움이 있고, 셀 하나의 공차에 의해 수백개 셀로 이루어진 스택의 누적공차가 증가하여 조립 정합성에 어려움이 있다.

종래의 연료전지스택에서 셀의 적층수가 N개 일 경우에 도 3에 도시한 바와 같이 부하전류(current load)가 C₁(A), 전압이 V₁ 일때 연료전지스택의 성능(Power1)은 다음 식 1과 같다.

Power1 = N×C₁×V₁

한편, 부하전류 C₃, 전압이 V₃일 때 연료전지스택의 성능(Power 3)은 다음 식 2와 같다.

Power3 = N×C₃×V₃

여기서, 부하전류 C1에서 특정 셀의 전압이 V₂일 경우에 안전성을 확보하기 위해 최대 전류는 C1, 전체 발생 전력은 Power 3로 제한된다.

도 3을 참조하면, 특정 셀의 전압이 V₂로 떨어지지 않는 경우에는 연료전지스택의 성능(Power1)은 C₁(A)*V₁ 이지만, 특정 셀의 전압이 V₂로 떨어진 경우에는 C₃(A)*V₃ 로 제어된다.
즉, 특정 셀의 전압이 V₂로 떨어진 경우의 연료전지 스택의 출력(POWER)을 특정 셀의 전압이 V₂로 떨어지기 전의 출력[C₁(A)*V₁]에 근접하는 수준으로 유지하기 위하여, 전압(V₃)은 증가하고 전류(C₃)는 낮추어 [C₃(A)*V₃]로 출력되는 제어가 이루어진다.
이에, V₁ ＜V₃ 이고, C₁ ＞＞ C₃ 이므로, Power 1 ＞＞ Power 3가 된다.

이러한 점을 감안하여, 본 발명은 복수의 셀(11)을 적층시켜 모듈화시킨 다수의 서브 스택(10)을 구성하고, 이 다수의 서브 스택을 직렬로 통전 가능하게 연결하여 전체 스택을 구성한다.

상기 서브 스택(10)은 복수의 셀들이 직렬로 적층된 구조로 이루어지고, 각 서브 스택(10)마다 수소, 공기 및 냉각수 유로(12)가 형성되며, 이때 수소와 공기의 흐름은 서로 반대방향이며, 상기 각 서브 스택(10)에 형성된 수소, 공기 및 냉각수 유로에 수소, 공기 및 냉각수를 공급하기 위한 연결배관(20,22,24)을 연결시킨다.

또한, 상기 서브 스택(10)은 서로 직렬로 연결되는 구조로 설치되고, 수소, 공기 및 냉각수는 하나의 구동모터에 의해 공급되며, 각 서브 스택(10)으로 배관되어 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택에서 일부 셀의 성능저하 발생시 특정 셀이 포함된 서브스택 제거후, 전도성 블럭 또는 와이어 연결을 나타내는 도면이다.

본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택에서 셀(11)의 적층수가 N개이고, 서브 스택의 수가 n 인 경우에 1개의 서브 스택(10)의 셀수는 N/n 이다.

예를 들어, 부하전류(current load)가 C₁(A), 전압이 V₁ 일때 연료전지스택의 성능(Power1)은 다음 식 3과 같다.

Power1 = N×C₁×V₁

한편, 부하전류 C₁에서 특정 셀의 전압이 V₂(＜V₁) 일 경우 즉 성능저하 발생할 경우에 연료전지스택의 성능(Power 3)은 다음 식 4와 같다.

Power3 = (N-N/n)×C₁×V₁

이때, V₂를 포함하는 특정 셀을 포함하는 특정 서브 스택을 제거한 후, 그 제거된 자리에 전도성 블럭(13) 또는 와이어를 삽입하는 동시에 서로 인접하는 서브 스택과 통전 가능하게 연결하고, 제거된 서브 스택의 수소, 공기 및 냉각수 유로를 보호캡으로 밀봉한다.

이와 같은 구성에 의해 본 발명은 스택 전체를 분리할 필요없이 수백개의 셀을 다수의 서브 스택(10)으로 모듈화 함으로써, 일부 특정셀에 성능저하가 발생하더라도 특정셀이 포함된 서브스택만을 제거하여 전체 연료전지 시스템의 큰 성능 저하 없이 운전이 가능하다(Power 1 ＞ Power 3).

또한, 상기 서브 스택(10)의 모듈화로 일부 셀이 포함된 서브 스택의 교체가 용이하고, 전체 스택을 분리하는데 필요한 시간 및 비용을 절감할 수 있고, 긴급 상황에서 일부 셀의 성능 저하 발생시 긴급 대처가 가능하다.

또한, 상기 서브 스택(10)은 직렬로 연결된 상태이므로, 특정 서브 스택 제 어 없이 교체전과 동일한 상태로 일관된 제어가 가능하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래의 연료전지차량 시스템의 구조를 나타내는 개략도이고,

도 2는 종래의 연료전지스택의 적층구조를 나타내는 개략도이고,

도 3은 연료전지스택에서 일부 셀의 성능저하를 설명하기 위한 그래프이고,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 서브 스택을 설명하기 위한 개략도이고,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택의 구성을 나타내는 개략도이고,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택에서 일부 셀의 성능저하 발생시 특정 셀이 포함된 서브스택 제거후, 전도성 블럭 또는 와이어 연결을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 서브스택 11 : 셀(단위전지)

12 : 수소, 공기 및 냉각수 유로

13 : 전도성 블럭

Claims (5)

1. 복수의 셀이 직렬로 적층 연결된 다수의 서브 스택을 분리 가능하게 직렬로 연결시킨 연료전지차량용 스택의 모듈화 구조에 있어서,

   상기 각 서브 스택에 형성된 수소, 공기 및 냉각수 유로에 수소, 공기 및 냉각수를 공급하기 위한 연결배관을 연결시키고,

   상기 수소, 공기 및 냉각수를 공급하기 위한 각 연결배관에는 하나의 구동모터가 연결되며,

   상기 복수의 셀 중 일부 셀에 성능저하가 발생할 경우에 성능저하가 발생된 셀을 포함하는 특정 서브스택을 제거한 후, 상기 특정 서브스택이 제거된 자리에 전도성 블럭 또는 와이어를 삽입하는 동시에 서로 인접하는 서브스택과 직렬로 통전 가능하게 연결하고, 제거된 특정 서브스택의 수소, 공기 및 냉각수 유로를 보호캡으로 막는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 스택의 모듈화 구조.
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