KR101184930B1 - 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리판에 형성되는 매니폴드 구조를 단순화하고, 단위 셀이 적층된 다단 스택 조립체에서 스택의 부피를 최소화하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체는, 단위 셀이 다단으로 적층되어 스택을 형성하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체에 있어서, 상기 다단으로 적층된 복수의 단위 셀 중에서 중앙에 위치한 제1 단위 셀의 양면에 각각 형성되는 적어도 하나의 가스 공급판; 상기 적어도 하나의 가스 공급판에 포함된 제1 가스 공급판과 상기 제1 단위 셀 사이에 설치되는 제 1 더미 플레이트; 및 상기 적어도 하나의 가스 공급판에 포함된 제2 가스 공급판과 상기 제1 단위 셀 사이에 설치되는 제 2 더미 플레이트를 포함하되, 상기 제 1 더미 플레이트 및 상기 제 2 더미 플레이트는, 연료 가스 또는 산화 가스가 통과하는 매니폴드를 형성하는 홀을 포함하고, 상기 연료 가스 및 산화 가스의 흐름을 바꾸는 기능을 하는 것일 수 있다.

Description

연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체{CASCADE TYPED STACK ASSEMBLY IN FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 다단 스택 조립체에 관한 것으로, 특히 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지 시스템에 포함된 스택은 발전 반응에 의해 전기를 생산하는 장치이다.
본 발명의 목적은, 분리판에 형성되는 매니폴드 구조를 단순화하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 단위 셀이 적층된 다단 스택 조립체에서 스택의 부피를 최소화하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체를 제공하는 데 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체는, 단위 셀이 다단으로 적층되어 스택을 형성하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체에 있어서, 상기 다단으로 적층된 복수의 단위 셀 중에서 중앙에 위치한 제1 단위 셀의 양면에 각각 형성되는 적어도 하나의 가스 공급판; 상기 적어도 하나의 가스 공급판에 포함된 제1 가스 공급판과 상기 제1 단위 셀 사이에 설치되는 제 1 더미 플레이트; 및 상기 적어도 하나의 가스 공급판에 포함된 제2 가스 공급판과 상기 제1 단위 셀 사이에 설치되는 제 2 더미 플레이트를 포함하되, 상기 제 1 더미 플레이트 및 상기 제 2 더미 플레이트는, 연료 가스 또는 산화 가스가 통과하는 매니폴드를 형성하는 홀을 포함하고, 상기 연료 가스 및 산화 가스의 흐름을 바꾸는 기능을 하는 것일 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 단위 셀은, 고분자 전해질막으로 이루어진 막-전극 조합체; 및 상기 막-전극 조합체의 양면에 각각 형성되는 분리판을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 분리판은, 애노드-인 매니폴드; 애노드-아웃 매니폴드; 캐소드-인 매니폴드; 캐소드-아웃 매니폴드; 및 냉각수 매니폴드를 포함하며, 상기 애노드-인 매니폴드, 상기 애노드-아웃 매니폴드, 상기 캐소드-인 매니폴드, 상기 캐소드-아웃 매니폴드 및, 상기 냉각수 매니폴드의 형태는, 사각형, 원형, 마름모, 다각형 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 가스 공급판은, 외부 가스 통로가 형성된 절연성의 플라스틱재로 구성되는 외부 프레임; 및 상기 외부 프레임의 내부에 전기 전도성의 금속재 또는 흑연재로 구성되는 전도성 블록을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 외부 프레임은, 연료 가스 또는 산화 가스가 전후에서 공급되도록 상기 분리판의 크기보다 더 크게 형성할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 금속재의 표면은, 표면의 접촉 저항을 최소화하도록 금, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(palladium : Pd), 질화크롬(CrN) 및, 질화티타늄(TiN) 중 어느 하나로 코팅될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 전도성 블록의 내부는, 하나 이상의 홀(hole)이 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 적어도 하나의 가스 공급판에 포함된 제1 가스 공급판과 상기 제1 단위 셀 사이에 설치되는 제1 더미 플레이트; 및 상기 적어도 하나의 가스 공급판에 포함된 제2 가스 공급판과 상기 제1 단위 셀 사이에 설치되는 제2 더미 플레이트를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1 및 제2 더미 플레이트는, 연료 가스 또는 산화 가스가 통과하는 매니폴드를 형성하는 홀을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 스택의 양측면에 순차적으로 각각 적층되는 집전판, 절연판 및, 압축판을 더 포함할 수 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체는, 제1 단위 셀의 일면에 형성되는 제1 더미 플레이트; 상기 제1 더미 플레이트에 적층되는 제2 단위 셀; 상기 제2 단위 셀에 적층되는 제1 가스 공급판; 상기 제1 가스 공급판에 적층되는 제3 단위 셀; 상기 제3 단위 셀에 적층되는 제1 집전판; 상기 제1 집전판에 형성되는 제1 절연판; 상기 제1 절연판에 형성되는 제1 압축판; 상기 제1 압축판의 일면의 일측에 형성되는 연료 가스 유입관; 상기 제1 압축판의 상기 일면의 타측에 형성되는 산화 가스 배출관; 상기 제1 단위 셀의 타면에 형성되는 제2 더미 플레이트; 상기 제2 더미 플레이트에 적층되는 제4 단위 셀; 상기 제4 단위 셀에 적층되는 제2 가스 공급판; 상기 제2 가스 공급판에 적층되는 제5 단위 셀; 상기 제5 단위 셀에 적층되는 제2 집전판; 상기 제2 집전판에 형성되는 제2 절연판; 상기 제2 절연판에 형성되는 제2 압축판; 상기 제2 압축판의 일면의 일측에 형성되는 연료 가스 배출관; 및 상기 제2 압축판의 상기 일면의 타측에 형성되는 산화 가스 유입관을 포함하되, 상기 제 1 더미 플레이트 및 상기 제 2 더미 플레이트는, 상기 연료 가스 또는 산화 가스가 통과하는 매니폴드를 형성하는 홀을 포함하고, 상기 연료 가스 및 산화 가스의 흐름을 바꾸는 기능을 하는 것일 수 있다.
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본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체는, 분리판에 형성되는 매니폴드 구조를 단순화하고, 일반적인 일단형 스택 조립체의 분리판 구조를 그대로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체는, 분리판에 형성되는 매니폴드 구조를 단순화함으로써, 스택 제작에 필요한 분리판 및 가스켓 유형을 단일화시켜 분리판 및 가스켓 제작을 위한 비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체는, 동일한 분리판 면적에 형성해야 하는 매니폴드의 수를 줄여 매니폴드 면적을 크게 형성할 수 있고, 이에 따라 매니폴드 내에서 압력 강하가 줄어들어 각 셀에 연료 및 공기가 더욱 균일하게 분배되고, 매니폴드 부위의 설계를 더욱 다양화할 수 있어 연료 전지에 공급/유출되는 가스의 유동을 최적화하여 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체는, 각 단을 스택으로 만들어 스택을 직렬로 연결하는 구조에 비해, 각 스택마다 압축판, 절연판, 집전판 및 전류 연결 케이블이 불필요하므로 스택의 부피를 최소화하여 스택의 출력 밀도(power density)를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다단 스택 조립체의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분리판의 매니폴드를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스 분리판을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 블록을 나타낸 사시도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다단 스택 조립체에서 연료 가스(수소)와 산화 가스(산소)의 흐름을 나타낸 도이다.
도 7은 종래 일체형 다단 스택 조립체와 본 발명의 제1 실시예에 따른 다단 스택 조립체의 성능을 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 다단 스택 조립체에서 연료 가스(수소)와 산화 가스(산소)의 흐름을 동시에 나타내는 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 나타낸 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 연료 전지 시스템(10)은, 연료 변환부(11), 스택(12), 전력 변환부(13), 폐열 회수부(14), 주변 장치부(15) 및, 기액 분리기(16)로 구성된다. 도 1에 도시된 연료 전지 시스템(10)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 1에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 연료 전지 시스템(10)이 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 연료 전지 시스템(10)이 구현될 수도 있다.
상기 연료 변환부(11)는, 탄화 수소계 연료로부터 상기 스택(12)에서 사용하는 연료 가스(일 예로, 수소 농후 가스 등 포함)를 생성한다.
상기 스택(stack)(12)은, 상기 연료 변환부(11)로부터 생성된 연료 가스를 전해질막을 통해 공기(산소)와 전기 화학 반응시켜 전기를 생산한다.
또한, 상기 스택(12)은, 복수의 단으로 구성된다. 또한, 상기 스택(12)이 복수의 단으로 구성되는 경우, 상기 복수의 단은 직렬로 배치되며, 상기 복수의 단 사이사이에는 상기 기액 분리기(16)에 포함된 복수의 기액 분리기 중 어느 하나의 기액 분리기가 각각 설치된다. 이때, 상기 복수의 단은, 전기적으로 직렬로 연결한다. 또한, 각각의 단은, 1개 ~ 수백개의 단위 셀(cell : 단위 전지)로 구성하며, 마지막 단으로 갈수록 셀의 수는 감소하게 구성한다. 또한, 각 단의 셀의 수는, 연료 가스(수소)와 산화 가스(산소)의 화학 양론비(stoichiometry)가 1.2~1.5가 유지되고, 마지막 단의 양론비는 1이 되도록 구성(또는, 조절)한다.
또한, 상기 스택(12)은, 복수의 셀이 적층되어 구성된다. 이때, 상기 셀은, 전해질막의 양측면에 연료극(미도시)과 공기극(미도시)이 각각 구비(또는, 적층)된 구조로 이루어지며, 이를 막-전극 조합체(Membrance Electrode Assembly : MEA)라 한다. 또한, 상기 막-전극 조합체의 바깥 부분, 즉 캐소드(cathode) 및 애노드(anode)가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer : GDL)이 위치하고, 상기 가스 확산층의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하는 유로(flow channel : flow field)가 형성된 분리판이 위치한다. 또한, 각 셀(또는, 각각의 막-전극 조합체)은 분리판에 의해 상호 분리된다. 여기서, 상기 분리판은, 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라 불리우는 금속 재질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 분리판의 양쪽 측면에는 각각 유로(일 예로, 연료 유로(또는, 수소 채널), 공기 유로(또는, 산소 채널) 등 포함)가 형성되며, 각각 접촉한 막-전극 조합체의 애노드 또는 캐소드에 연료 가스(수소)와 산화 가스(산소)를 공급한다.
또한, 상기 애노드(또는, 연료극)로 공급된 수소는, 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해되어, 상기 수소 이온은 상기 전해질막을 통해 상기 캐소드(또는, 공기극)쪽으로 이동하고, 상기 전자는 외부도선(또는, 상기 분리판)을 통해 상기 공기극으로 이동한다.
상기와 같이, 상기 전자의 이동에 의해 전류가 생성되고, 상기 수소 이온과 상기 전자가 상기 공기극으로 공급된 산소와 결합하여 물이 생성되며, 상기 물 생성 반응 과정에서 열이 발생한다. 따라서, 상기 연료 전지 스택에는, 운전 중 지속적으로 발생하는 열을 흡수 방출하여 일정한 작동 온도를 유지하도록 냉각수가 공급된다.
상기 전력 변환부(13)는, 상기 스택(12) 또는 상기 폐열 회수부(14)에서 생산된 직류 전류를 교류 전류로 변환하고, 상기 변환된 교류 전류를 부하(load)에 공급한다.
상기 폐열 회수부(14)는, 상기 스택(12)에서 발생하는 폐열을 이용하여 전류를 생산하고, 상기 생산된 전류를 상기 전력 변환부(13)에 공급한다.
상기 주변 장치부(Balance of Plant : BOP)(15)는, 상기 연료 전지 시스템(10)의 기동, 발전 유지 및, 정지 등의 각종 제어를 수행한다.
상기 기액 분리기(16)는, 복수의 단으로 구성된 상기 스택(12)의 각 단의 사이마다 각각 설치된다.
또한, 상기 기액 분리기(16)는, 상기 스택(12)에서 전류 생성시 발생된 물을 제거한다.
또한, 상기 기액 분리기(16)는, 상기 스택(12)에 포함된 연료극에서 배출되는 어노드 오프 가스(anode-off gas)에 포함된 수분을 제거한다. 이때, 상기 연료극에서 배출되는 수분은, 상기 공기극에서 발생한 물이 상기 공기극으로 공급되는 공기에 의한 건조량보다 발생량이 많을 때 상기 전해질막을 통해 확산하여 상기 연료극쪽으로 이동한 수분일 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다단 스택 조립체의 분해 사시도로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 다단 스택 조립체(100)는, 복수의 단위 셀이 애노드와 캐소드로 볼 때 각 3단으로 가스 흐름이 형성되어 하나의 스택을 이루는 구조를 나타낸다. 이하의 설명에서는 냉각재(또는, 냉각수)의 흐름에 대한 설명은 생략하며, 상기 냉각재의 흐름은 일반적으로 알려진 방법에 따른다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 단위 셀(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)이 다단으로 적층되어 하나의 스택을 형성하는 경우, 상기 스택은, 복수의 단위 셀(110a, 110b, 110c, 110d, 110e), 복수의 더미 플레이트(131, 132) 및, 복수의 가스 공급판(121, 122)을 포함한다.
즉, 상기 복수의 단위 셀(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)이 적층되는 길이 방향의 중간(또는, 중앙)에 위치한 제3 단위 셀(110c)의 양측면에 제1 및 제2 더미 플레이트(131, 132)가 각각 배치(또는, 형성)된다. 또한, 상기 제1 및 제2 더미 플레이트(131, 132)에서 스택의 외측으로 제1 및 제2 가스 공급판(121, 122)이 각각 배치된다.
또한, 상기 스택의 양측면에는 제1 및 제2 집전판(141, 142), 제1 및 제2 절연판(151, 152), 제1 및 제2 압축판(161, 162) 및, 제1 및 제2 보조 압축판(171, 172)이 순차적으로 각각 배치된다.
상기 단위 셀(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)은, 공급되는 연료 가스(수소)와 산화 가스(수소)를 통해 화학 반응을 일으켜 전기를 생성하도록, 고분자 전해질 막으로 이루어진 막-전극 조합체를 사이에 두고 분리판(또는, 분리판과 가스켓(gasket))이 양쪽으로 덧대어진 구조(또는, 적층된 구조)로 형성한다. 이때, 상기 분리판은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 막-전극 조합체와 접촉하는 영역의 양쪽 측부(상기 분리판(111)의 일면 중에서 임의의 상측부와 이에 대응하는 하측부)에 각각 3개씩의 매니폴드 홀들이 형성되며, 양쪽 측부의 대각방향 가장자리에 있는 양쪽의 매니폴드 홀이 서로 연결(일 예로, 111a와 111b, 111c와 111d)되어 수소 또는 산소의 공급/배출 통로로 이용되며, 양쪽 측부의 중간 부분에 있는 양쪽의 매니폴드 홀(일 예로, 111e와 111f)이 서로 연결되어 냉각수의 공급/배출 통로로 이용된다. 또한, 상기 분리판(111)은, 애노드-인/아웃 매니폴드(111a, 111b), 캐소드-인/아웃 매니폴드(111c, 111d) 및, 냉각수 매니폴드(111e, 111f)가 동일한 형태(일 예로, 사각형, 원형, 마름모, 다각형 등의 형태 중 어느 하나의 동일한 형태)로 형성한 한 종류의 분리판(111)일 수 있다. 여기서, 상기 매니폴드들은 동일한 형태로 구성되며, 그 크기는 서로 상이할 수도 있다. 이에 따라, 상기 가스켓도 상기 분리판(111)과 동일한 형태로 형성한다.
상기 제1 및 제2 가스 공급판(121, 122)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 외부 프레임(G1) 및, 전도성 블록(G2)을 각각 포함한다.
상기 외부 프레임(G1)은, 상기 연료 가스(수소) 또는 상기 산화 가스(산소)가 통과하는 복수의 가스 홀(G1a), 냉각수가 통과하는 복수의 냉각수 홀(G1b) 및, 복수의 가스 출입구(G1c)를 포함한다.
또한, 상기 외부 프레임(G1)은, 에폭시(epoxy) 수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 테프론(Teflon ; PTFE) 등을 포함하는 엔지니어링 플라스틱 등과 같은 절연성 소재로 이루어진다.
또한, 상기 외부 프레임(G1)은, 가스(연료 가스 또는 산화 가스)가 전/후에서 공급되도록 상기 단위 셀에 포함된 분리판(111)의 외곽 크기보다 더 크게 구성할 수 있다.
상기 가스 출입구(G1c)는, 상기 연료 가스(수소)와 상기 산화 가스(산소)의 흐름을 바꾸고, 상기 스택 외부에서 상기 연료 가스와 상기 산화 가스가 유입되거나 또는 상기 스택 외부로 상기 연료 가스와 상기 산화 가스가 배출되도록 구성한다.
즉, 상기 가스 출입구(G1c)는, 가스(연료 가스 또는 산화 가스)가 좌우 또는 상하에서 공급되도록 상기 외부 프레임(G1)의 좌우면 또는 상하면에 각각 형성한다. 상기 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가스 출입구(G1c)는, 상기 외부 프레임(G1)의 좌우면에 형성되며, 상기 가스 홀(G1a)의 일면을 관통하여 형성한다.
상기 전도성 블록(G2)은, 상기 제1 및 제2 가스 공급판(121, 122)의 중심부를 통하여 전류가 흐르도록 상기 외부 프레임(G1)의 내부에 형성한다.
또한, 상기 전도성 블록(G2)은, 알루미늄, 스테인레스와 같은 전기 전도성이 양호한 금속재 또는 흑연재로 구성한다. 또한, 상기 금속재로 된 전도성 블록(G2)의 표면은, 표면의 접촉 저항을 최소화하도록 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(palladium : Pd), 질화크롬(CrN) 및, 질화티타늄(TiN) 중 어느 하나로 코딩할 수 있다.
또한, 상기 전도성 블록(G2)의 내부는, 도 5에 도시된 바와 같이, 중량을 줄이기 위해, 상기 전도성 블록(G2)의 일면에서 타면을 관통하거나 또는, 상기 전도성 블록(G2)의 일면에 하나 이상의 홀(hole : 구멍)이 형성될 수도 있다.
상기 제1 및 제2 더미 플레이트(131, 132)는, 상기 연료 가스(수소) 및 상기 산화 가스(산소)의 흐름을 바꾸는 플레이트(plate : 도전체)로서, 상기 연료 가스와 상기 산화 가스가 통과하는 매니폴드를 형성하는 홀은 형성되어 있으나, 양측 매니폴드 사이로 유로 또는 막-전극 조합체를 포함하지는 않는다.
또한, 상기 스택에 포함된 복수의 단위 셀(110a, 110b, 110c, 110d, 110e) 중에서 양측 최외각에 위치한 제1 및 제5 단위 셀(110a, 110e)의 각 일면(상기 스택의 외측 방면)에는 상기 제1 및 제2 집전판(141, 142)이 각각 형성된다.
상기 제1 및 제2 집전판(141, 142)은, 각각 전류 취득 단자부(미도시)가 설치되며, 발전 시에는 상기 전류 취득 단자부를 통해 전류, 즉 전기를 취출한다.
상기 제1 및 제2 절연판(151, 152)은, 상기 제1 및 제2 집전판(141, 142)의 각 일면(상기 스택의 외측 방면)에 각각 형성된다.
또한, 상기 제1 및 제2 절연판(151, 152)은, 각각 상기 제1 집전판(141)과 제1 압축판(161) 및, 상기 제2 집전판(142)과 제2 압축판(162) 사이를 각각 절연한다.
또한, 상기 제1 및 제2 절연판(151, 152)은, 가스나 냉각수의 도입구 또는 배출구가 설치될 수도 있다.
상기 제1 압축판(161)에는, 상기 연료 가스가 유입되는 연료 가스 유입관(181)과 상기 산화 가스가 배출되는 산화 가스 배출관(192)이 연결된다.
상기 제2 압축판(162)에는, 상기 연료 가스가 배출되는 연료 가스 배출관(182)과 상기 산화 가스가 유입되는 산화 가스 유입관(191)이 연결된다.
또한, 상기 제1 및 제2 압축판(161, 162)에는, 상기 제1 및 제2 보조 압축판(171, 172)이 선택적으로 각각 결합된다.
이와 같이, 분리판에 형성되는 매니폴드 구조를 임의의 형태로 단순화할 수 있다.
또한, 이와 같이, 복수의 단위 셀, 더미 플레이트 및, 가스 공급판을 다단으로 구성하여 하나의 스택을 형성함으로써, 스택의 부피를 최소화할 수 있다.
도 6A 내지 도 6C는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다단 스택 조립체에서 연료 가스(수소)와 산화 가스(산소)의 흐름을 나타낸 도이다.
도 6A는 애노드를 형성하는 연료 가스의 흐름을 나타내고, 도 6B는 캐소드를 형성하는 산화 가스의 흐름을 나타내고, 도 6C는 연료 가스와 산화 가스의 흐름을 동시에 나타낸 도이다.
상기 도 6A 내지 도 6C에 도시된 바와 같이, 애노드의 수소 흐름과 캐소드의 산소 흐름으로 볼 때, 각 3단인 (A11, A12, A13)와 (C11, C12, C13)로 가스 흐름이 형성되는 일체형 다단 스택 조립체(100)로 형성되어 있다.
상기 연료 가스와 산화 가스의 흐름이 3단으로 형성되는 본 발명의 제1 실시예에서 각 단 (A11, A12, A13)와 (C11, C12, C13)의 단위 셀의 수는, 제1단과 제2단의 양론비(stoichiometry)가 1.2~1.5가 되고, 제3단의 양론비가 1이 되도록 구성한다.
상기 도 6A 및 도 6C에 도시된 바와 같이, 연료 가스(수소)는, 스택 조립체(100)의 일측(좌측)에서 유입하여 제1 단위 셀(110a) 내지 제3 단위 셀(110c) 사이의 제1 가스 공급판(121) 및 제1 더미 플레이트(131)를 지나서 제2 더미 플레이트(132)까지 흐르면서 단위 셀 내의 유로를 통해 리턴(return)되어 빠져나와 애노드 제1단(A11)을 형성한 후, 제2 가스 공급판(122)을 통해 제4 단위 셀(110d)에 유입하여 상기 제2 더미 플레이트(132)까지 흐르면서 상기 제4 단위 셀(110d) 내의 유로를 통해 리턴되어 빠져나와 애노드 제2단(A12)을 형성한 후, 상기 스택 조립체(100)의 타측(우측)을 통해 제5 단위 셀(110e)에 유입하여 상기 제2 가스 공급판(122)까지 흐르면서 상기 제5 단위 셀(110e) 내의 유로를 통해 리턴되어 빠져나와 애노드 제3단(A13)을 형성한다.
상기 도 6B 및 도 6C에 도시된 바와 같이, 산화 가스(산소)는, 상기 스택 조립체(100)의 타측(우측)에서 유입하여 상기 제5 단위 셀(110e) 내지 상기 제3 단위 셀(110c) 사이의 상기 제2 가스 공급판(122) 및 상기 제2 더미 플레이트(132)를 지나서 상기 제1 더미 플레이트(131)까지 흐르면서 단위 셀 내의 유로를 통해 리턴되어 빠져나와 캐소드 제1단(C11)을 형성한 후, 상기 제1 가스 공급판(121)을 통해 제2 단위 셀(110b)에 유입하여 상기 제1 더미 플레이트(131)까지 흐르면서 상기 제2 단위 셀(110b) 내의 유로를 통해 리턴되어 빠져나와 캐소드 제2단(C12)을 형성한 후, 상기 스택 조립체(100)의 일측(좌측)을 통해 상기 제1 단위 셀(110a)에 유입하여 상기 제1 가스 공급판(121)까지 흐르면서 상기 제1 단위 셀(110a) 내의 유로를 통해 리턴되어 빠져나와 캐소드 제3단(C13)을 형성한다.
도 7은 종래 일체형 다단 스택 조립체와 본 발명의 제1 실시예에 따른 다단 스택 조립체의 성능(전류 밀도와 셀 평균 전압 간의 관계)을 비교한 그래프이다.
상기 도 7에 도시된 바와 같이, 임의의 셀 평균 전압에 대해서 본 발명에 따른 3단 스택 조립체의 전류 밀도가 더 높게 형성된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 일체형 다단 스택 조립체는, 1개 내지 8개의 가스 공급판을 사용하여, 애노드와 캐소드 측면에서 볼 때, 각각 2단 내지 5단으로 가스 흐름을 형성하여, 하나의 스택을 형성하도록 구성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 다단 스택 조립체에서 연료 가스(수소)와 산화 가스(산소)의 흐름을 동시에 나타내는 도이다.
상기 도 8에 도시된 바와 같이, 애노드의 수소 흐름과 캐소드의 산소 흐름으로 볼 때, 각 4단인 (A21, A22, A23, A24)와 (C21, C22, C23, C24)로 가스 흐름이 형성되는 일체형 다단 스택 조립체(200)로 형성되어 있다.
상기 다단 스택 조립체(200)는, 복수의 단위 셀(210)이 적층되어 하나의 스택을 형성하며, 상기 단위 셀(210)의 적층 길이 방향의 중간에서 양측으로 제1 및 제2 더미 플레이트(231, 232)가 각각 배치되고, 상기 제1 및 제2 더미 플레이트(231, 232)에서 스택의 외측으로 제1 및 제2 가스 공급판(221, 222)과 제3 및 제4 가스 공급판(223, 224)이 각각 배치되고, 상기 스택의 최외각 양측에 복수의 집전판(미도시), 복수의 압축판(미도시), 복수의 보조 압축판(미도시)이 각각 순차적으로 배치된다.
또한, 상기 연료 가스와 산화 가스의 흐름이 4단으로 형성되는 본 발명의 제2 실시예에서 각 단 (A21, A22, A23, A24)와 (C21, C22, C23, C24)의 단위 셀의 수는, 제1단 내지 제3단의 양론비가 1.2~1.8이 되고, 제4단의 양론비가 1이 되도록 구성한다.
상기 도 8에 도시된 바와 같이, 연료 가스(수소)는, 스택 조립체(200)의 일측(좌측)에서 유입하여 단위 셀(210)과 단위 셀(210) 사이의 제3 및 제1 가스 공급판(223, 221)과 제1 더미 플레이트(231)를 지나서 제2 더미 플레이트(232)까지 흐르면서 단위 셀 내의 유로를 통해 리턴되어 빠져나와 애노드 제1단(A21)을 형성한 후, 제2 가스 공급판(222)을 통해 단위 셀(210)에 유입하여 제2 더미 플레이트(232)까지 흐르면서 단위 셀 내의 유로를 통해 리턴되어 빠져나와 애노드 제2단(A22)을 형성한 후, 제4 가스 공급판(224)을 통해 단위 셀(210)에 유입하여 상기 제2 가스 공급판(222)까지 흐르면서 단위 셀 내의 유로를 통해 리턴되어 빠져나와 애노드 제3단(A23)을 형성한 후, 상기 스택 조립체(200)의 타측(우측)을 통해 단위 셀(210)에 유입하여 상기 제4 가스 공급판(224)까지 흐르면서 단위 셀 내의 유로를 리턴되어 빠져나와 애노드 제4단(A24)을 형성한다.
또한, 산화 가스(산소)는, 상기 스택 조립(200)의 타측(우측)에서 유입하여 단위 셀(210)과 단위 셀(210) 사이의 상기 제4 및 제2 가스 공급판(224, 222)과 상기 제2 더미 플레이트(232)를 지나서 상기 제1 더미 플레이트(231)까지 흐르면서 단위 셀 내의 유로를 통해 리턴되어 빠져나와 캐소드 제1단(C21)을 형성한 후, 상기 제1 가스 공급판(221)을 통해 단위 셀(210)에 유입하여 상기 제1 더미 플레이트(231)까지 흐르면서 단위 셀 내의 유로를 통해 리턴되어 빠져나와 캐소드 제2단(C22)을 형성한 후, 상기 제3 가스 공급판(223)을 통해 단위 셀(210)에 유입하여 상기 제1 가스 공급판(221)까지 흐르면서 단위 셀 내의 유로를 통해 리턴되어 빠져나와 캐소드 제3단(C23)을 형성한 후, 상기 스택 조립체(200)의 일측(좌측)을 통해 단위 셀(210)에 유입하여 상기 제3 가스 공급판(223)까지 흐르면서 단위 셀 내의 유로를 리턴되어 빠져나와 캐소드 제4단(C24)을 형성한다.
이와 같이, 복수의 단위 셀이 다단으로 적층되어 하나의 스택을 형성할 때, 상기 복수의 단위 셀 중에서 중앙에 위치한 임의의 단위 셀의 양면에 각각 하나의 더미 플레이트가 배치되고, 각각의 더미 플레이트에서 상기 스택의 외측 방향으로 하나 이상의 가스 공급판이 단위 셀 사이사이에 각각 형성될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 연료 전지 시스템 11: 연료 변환부
12: 스택 13: 전력 변환부
14: 폐열 회수부 15: 주변 장치부
16: 기액 분리기 100, 200: 스택 조립체
110, 110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 210 : 단위 셀
121, 122, 221, 222, 223, 224: 가스 공급판
131, 132, 231, 232: 더미 플레이트
141, 142: 집전판 151, 152: 절연판
161, 162: 압축판 171, 172: 보조 압축판
181: 연료 가스 유입관 182: 연료 가스 배출관
191: 산화 가스 유입관 192: 산화 가스 배출관
G1: 외부 프레임 G1a: 가스홀
G1b: 냉각수 홀 G1c: 가스 출입구
G2: 전도성 블록

Claims (12)

  1. 단위 셀이 다단으로 적층되어 스택을 형성하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체에 있어서,
    상기 다단으로 적층된 복수의 단위 셀 중에서 중앙에 위치한 제1 단위 셀의 양면에 각각 형성되는 적어도 하나의 가스 공급판;
    상기 적어도 하나의 가스 공급판에 포함된 제1 가스 공급판과 상기 제1 단위 셀 사이에 설치되는 제 1 더미 플레이트; 및
    상기 적어도 하나의 가스 공급판에 포함된 제2 가스 공급판과 상기 제1 단위 셀 사이에 설치되는 제 2 더미 플레이트를 포함하되,
    상기 제 1 더미 플레이트 및 상기 제 2 더미 플레이트는,
    연료 가스 또는 산화 가스가 통과하는 매니폴드를 형성하는 홀을 포함하고,
    상기 연료 가스 및 산화 가스의 흐름을 바꾸는 기능을 하는 것인 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀은,
    고분자 전해질막으로 이루어진 막-전극 조합체; 및
    상기 막-전극 조합체의 양면에 각각 형성되는 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 분리판은,
    애노드-인 매니폴드;
    애노드-아웃 매니폴드;
    캐소드-인 매니폴드;
    캐소드-아웃 매니폴드; 및
    냉각수 매니폴드를 포함하며,
    상기 애노드-인 매니폴드, 상기 애노드-아웃 매니폴드, 상기 캐소드-인 매니폴드, 상기 캐소드-아웃 매니폴드 및, 상기 냉각수 매니폴드의 형태는,
    사각형, 원형, 마름모, 다각형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체.
  4. 제2항에 있어서, 상기 가스 공급판은,
    외부 가스 통로가 형성된 절연성의 플라스틱재로 구성되는 외부 프레임; 및
    상기 외부 프레임의 내부에 전기 전도성의 금속재 또는 흑연재로 구성되는 전도성 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 외부 프레임은,
    연료 가스 또는 산화 가스가 전후에서 공급되도록 상기 분리판의 크기보다 더 크게 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체.
  6. 제4항에 있어서, 상기 금속재의 표면은,
    표면의 접촉 저항을 최소화하도록 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(palladium : Pd), 질화크롬(CrN) 및, 질화티타늄(TiN) 중 어느 하나로 코팅되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체.
  7. 제4항에 있어서, 상기 전도성 블록의 내부는,
    하나 이상의 홀(hole)이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스택의 양측면에 순차적으로 각각 적층되는 집전판, 절연판 및, 압축판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체.
  11. 제1 단위 셀의 일면에 형성되는 제1 더미 플레이트;
    상기 제1 더미 플레이트에 적층되는 제2 단위 셀;
    상기 제2 단위 셀에 적층되는 제1 가스 공급판;
    상기 제1 가스 공급판에 적층되는 제3 단위 셀;
    상기 제3 단위 셀에 적층되는 제1 집전판;
    상기 제1 집전판에 형성되는 제1 절연판;
    상기 제1 절연판에 형성되는 제1 압축판;
    상기 제1 압축판의 일면의 일측에 형성되는 연료 가스 유입관;
    상기 제1 압축판의 상기 일면의 타측에 형성되는 산화 가스 배출관;
    상기 제1 단위 셀의 타면에 형성되는 제2 더미 플레이트;
    상기 제2 더미 플레이트에 적층되는 제4 단위 셀;
    상기 제4 단위 셀에 적층되는 제2 가스 공급판;
    상기 제2 가스 공급판에 적층되는 제5 단위 셀;
    상기 제5 단위 셀에 적층되는 제2 집전판;
    상기 제2 집전판에 형성되는 제2 절연판;
    상기 제2 절연판에 형성되는 제2 압축판;
    상기 제2 압축판의 일면의 일측에 형성되는 연료 가스 배출관; 및
    상기 제2 압축판의 상기 일면의 타측에 형성되는 산화 가스 유입관을 포함하되,
    상기 제1 더미 플레이트 및 상기 제2 더미 플레이트는,
    상기 연료 가스 또는 산화 가스가 통과하는 매니폴드를 형성하는 홀을 포함하고,
    상기 연료 가스 및 산화 가스의 흐름을 바꾸는 기능을 하는 것인 연료 전지 시스템의 다단 스택 조립체.
  12. 삭제
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