KR101238892B1 - 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지는 서로 대향하는 양 측부에 매니폴드를 구비한 전지 스택과, 상기 매니폴드가 구비되지 않은 상기 전지 스택의 서로 대향하는 다른 양 측부에 인접 배치된 한 쌍의 열교환기들을 포함한다.

Description

연료 전지{FUEL CELL}
본 발명의 실시예는 연료 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코플로우(co-flow)형 및 카운터 플로우(counter flow)형 스택(stack) 구조를 갖는 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지의 일 종류인 고체 산화물 연료 전지는 산소 이온 전도성을 갖는 전해질과, 그 양면에 위치한 공기극 및 연료극을 포함한다. 공기극과 연료극에 각각 산소와 수소를 각각 공급하면, 공기극에서 산소의 환원 반응을 통해 생성된 산소 이온이 전해질을 지나 연료극으로 이동한 후, 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물을 형성하게 된다. 이때, 연료극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르게 되며, 이를 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
전해질, 공기극 및 연료극으로 이루어진 연료 전지를 단위 전지라고 할때, 1개의 단위 전지가 생산하는 전기 에너지의 양은 매우 제한적이므로 연료 전지를 발전에 활용하기 위해서는 단위 전지를 여러 개 쌓아 놓은 형태인 스택 구조로 연료 전지를 형성하고 있다. 이와 같이, 스택 구조를 이루는 각각의 단위 전지들은 매니폴드(manifold)를 통해 서로 연결되어 공기 및 연료 등과 같은 기체를 공급받거나, 반응을 마친 공기, 연료, 및 배기 가스 등과 같은 기체를 배출한다.
또한, 연료 전지는 매니폴드가 복수의 단위 전지들의 네 측부에 모두 형성된 크로스 플로우(cross flow)형 스택 구조와, 매니폴드가 복수의 단위 전지들의 서로 대향하는 양 측부에 모두 형성된 코플로우(co-flow)형 및 카운터 플로우(counter flow)형 스택 구조로 분류된다. 코플로우형 스택 구조는 기체가 서로 동일한 측면으로 유입되었다가 동일한 측면으로 배출되며, 카운터 플로우형 스택 구조는 기체가 서로 다른 측면으로 유입되었다가 서로 다른 측면으로 배출된다.
한편, 연료 전지에 공급되거나 연료 전지로부터 배출되는 기체는 고온의 상태로 유동하게 된다. 크로스 플로우형 스택 구조의 경우, 네 측부에 모두 매니폴드가 형성되므로 연료 전지에 공급되거나 연료 전지로부터 배출된 기체로 둘러 쌓이게 된다. 반면, 코플로우형이나 카운터 플로우형 스택 구조의 경우, 매니폴드가 형성된 양 측부를 제외한 다른 측부들은 연료 전지에 공급되거나 연료 전지로부터 배출된 기체로 둘러쌓지 못하게 된다.
따라서, 코플로우형 스택 구조 및 카운터 플로우형 스택 구조를 갖는 연료 전지는 온도를 균일하게 유지하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 전체적인 온도를 최대한 균일하게 유지할 수 있는 연료 전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 전지는 서로 대향하는 양 측부에 매니폴드(manifold)를 구비한 전지 스택(stack)와, 상기 매니폴드가 구비되지 않은 상기 전지 스택의 서로 대향하는 다른 양 측부에 인접 배치된 한 쌍의 열교환기들을 포함한다.
상기 전지 스택은 각각 전해질, 공기극 및 연료극을 포함하는 복수의 단위 전지들이 적층된 구조를 가질 수 있다. 그리고 상기 매니폴드는 상기 복수의 단위 전지들의 상기 공기극 및 상기 연료극에 각각 공기 및 연료를 공급하거나 상기 공기극 및 상기 연료극으로부터 각각 공기, 연료, 및 배기 가스를 배출시킬 수 있다.
상기 전지 스택은 코플로우(co-flow)형 또는 카운터 플로우(counter flow)형 스택 구조를 가질 수 있다.
상기 매니폴드는 제1 매니폴드와 제2 매니폴드를 구비할 수 있다. 그리고 상기 제1 매니폴드는 상기 단위 전지들에 상기 공기 및 상기 연료를 공급하고, 상기 제2 매니폴드는 상기 단위 전지들로부터 상기 공기 및 상기 연료를 배출시킬 수 있다.
상기 열교환기는 제1 열교환기와 제2 열교환기를 포함할 수 있다. 상기 공기는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 제1 매니폴드를 통해 상기 단위 전지들에 공급되고, 상기 단위 전지들로부터 상기 제2 매니폴드를 통해 상기 제2 열교환기를 거쳐 배출될 수 있다. 상기 연료는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 제1 매니폴드를 통해 상기 단위 전지들에 공급되고, 상기 단위 전지들로부터 상기 제2 매니폴드를 통해 상기 제1 열교환기를 거쳐 배출될 수 있다.
상기 단위 전지들로부터 배출되는 상기 공기 및 상기 연료를 혼합하는 촉매 연소기를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매 연소기에서 상기 공기와 상기 연료가 혼합 연소된 배기 가스는 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기 중 하나 이상을 거쳐 외부로 배출될 수 있다.
상기 매니폴드는 제1 매니폴드와 제2 매니폴드를 구비할 수 있다. 그리고 상기 제1 매니폴드는 상기 단위 전지들에 상기 공기를 공급하고 상기 단위 전지들로부터 상기 연료를 배출시키며, 상기 제2 매니폴드는 상기 단위 전지들에 상기 연료를 공급하고 상기 단위 전지들로부터 상기 공기를 배출시킬 수 있다.
상기 열교환기는 제1 열교환기와 제2 열교환기를 포함할 수 있다. 상기 공기는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 제1 매니폴드를 통해 상기 단위 전지들에 공급되고, 상기 단위 전지들로부터 상기 제2 매니폴드를 통해 상기 제2 열교환기를 거쳐 배출될 수 있다. 상기 연료는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 제2 매니폴드를 통해 상기 단위 전지들에 공급되고, 상기 단위 전지들로부터 상기 제1 매니폴드를 통해 상기 제1 열교환기를 거쳐 배출될 수 있다.
상기 단위 전지들로부터 배출되는 상기 공기 및 상기 연료를 혼합하는 촉매 연소기를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매 연소기에서 상기 공기와 상기 연료가 혼합 연소된 배기 가스는 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기 중 하나 이상을 거쳐 외부로 배출될 수 있다.
상기 전지 스택은 상기 복수의 단위 전지들을 사이에 배치된 분리판을 더 포함하며, 상기 분리판은 상기 공기 또는 상기 연료가 통과하는 채널을 가지고, 상기 매니폴드는 상기 채널의 양측에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 전지는 전체적인 온도를 최대한 균일하게 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성도이다.
도 2는 도 1의 단위 전지들을 도시한 부분 단면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 제2 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명의 실시예들이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예를 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 연료 전지(101)는 전지 스택(cell stack)(10)과 열교환기(50)를 포함한다. 그리고 연료 전지(101)는 촉매 연소기(60)를 더 포함할 수 있다.
전지 스택(10)은 복수의 단위 전지들(110)이 적층된 구조를 가지며, 서로 대향하는 양 측부에 형성된 매니폴드(manifold)(121, 122)를 포함한다.
매니폴드(121, 122)는 전지 스택(10)의 각 단위 전지들(110)을 연통하여 공기 및 연료 등과 같은 기체를 공급하거나, 반응을 마친 공기, 연료, 및 배기 가스 등과 같은 기체를 배출한다.
매니폴드는 제1 매니폴드(121)와 제2 매니폴드(122)를 포함한다. 제1 매니폴드(121)와 제2 매니폴드(122)는 복수의 단위 전지들(110)을 사이에 두고 대향 배치된다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에서, 연료 전지(101)는 공기 및 연료와 같은 기체가 서로 동일한 매니폴드(121)를 통해 유입되었다가, 서로 동일한 매니폴드(122)를 통해 배출되는 코플로우(co-flow)형 스택 구조를 갖는다. 구체적으로, 제1 매니폴드(121)는 단위 전지들(110)에 공기 및 연료를 공급하고, 제2 매니폴드(122)는 단위 전지들(110)로부터 공기 및 연료를 배출시킨다.
열교환기(50)는 매니폴드(121, 122)가 구비되지 않은 전지 스택(10)의 서로 대향하는 다른 양 측부에 인접 배치된다. 즉, 열교환기(50)는 전지 스택(10)을 사이에 두고 대향 배치된 제1 열교환기(51)와 제2 열교환기(52)를 포함한다. 열교환기(50)는 매니폴드(121, 122)가 형성되지 않은 전지 스택(10)의 측부에 열을 공급하여 연료 전지(101)가 최대한 전체적으로 균일한 온도를 유지할 수 있게 한다.
촉매 연소기(60)는 전지 스택(10)에서 반응을 마친 공기와 연료를 혼합 연소하여 배기 가스를 만들어 배출한다. 또한, 배기 가스는 제1 열교환기(51) 및 제2 열교환기(52) 중 하나 이상을 거쳐 외부로 배출된다.
또한, 연료 전지(101)는 전지 스택(10)의 매니폴드(121, 122)와 열교환기들(51, 52)를 연결하여 공기의 이동 통로가 되는 제1 유로(31), 연료의 이동 통로가 되는 제2 유로(32), 및 촉매 연소기(60)로부터 배기 가스가 배출되는 제3 유로(33)를 더 포함한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지(101)에서, 공기는 제1 열교환기(51)를 거쳐 제1 매니폴드(121)를 통해 단위 전지들(110)에 공급되고, 단위 전지들(110)로부터 제2 매니폴드(122)를 통해 제2 열교환기(52)를 거쳐 배출된다. 또한, 연료는 제2 열교환기(52)를 거쳐 제1 매니폴드(121)를 통해 단위 전지들(110)에 공급되고, 단위 전지들로(110)부터 제2 매니폴드(122)를 통해 제1 열교환기(51)를 거쳐 배출된다. 그리고 배출된 공기와 연료는 촉매 연소기(60)에서 혼합 연소된 후, 외부로 배출된다. 이때, 공기와 연료가 혼합 연소된 배기 가스는 제1 열교환기(51) 또는 제2 열교환기(52)를 거쳐 외부로 배출되는 것이 효과적이다.
일반적으로, 단위 전지들(110)에서 반응을 거친 공기 및 연료가 반응 전의 공기 및 연료보다 상대적으로 고온이므로, 코플로우형 스택 구조를 갖는 연료 전지(101)는 본 발명의 제1 실시예와 같이 공기 및 연료의 흐름을 형성하는 것이 효율적이다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지(101)는 더욱 효과적으로 최대한 균일하게 전체적인 온도를 유지할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여, 단위 전지들의 구조에 대해 상세히 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 단위 전지들(110)은 산소 이온 전도성을 갖는 전해질(113)과 그 양면에 위치한 공기극(114) 및 연료극(112)으로 이루어져 있다. 각 전극(112, 114)에 산소와 수소를 각각 공급하면, 공기극(114)에서 산소의 환원 반응을 통해 생성된 산소 이온이 전해질(113)을 지나 연료극(112)으로 이동한 후, 연료극(112)에 공급된 수소와 반응하여 물을 형성하게 된다. 이때, 연료극(112)에서 생성된 전자가 공기극(114)으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르게 되며, 이를 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
하나의 단위 전지(110)가 생산하는 전기 에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료 전지(101)를 발전에 활용하기 위해서는 단위 전지(110)를 여러 개 쌓은 스택 구조로 만들어진다. 이와 같이, 스택 구조를 이루는 각각의 단위 전지들(110)을 연결할 때, 분리판(115)을 통해 연료극(112)과 공기극(114)을 전기적으로 연결하면서 기체의 혼합을 막는다.
또한, 분리판(115)은 공기 또는 연료가 통과하는 유로가 되는 채널을 가지며, 분리판(115)의 채널 양측에 매니폴드(121, 122)가 형성될 수 있다.
도 2에서 참조부호 131은 산소, 즉 공기의 흐름을 나타내며, 참조부호 132는 수소, 즉 연료의 흐름을 나타낸다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 연료 전지(102)는 공기 및 연료와 같은 기체가 서로 다른 매니폴드(221, 222)를 통해 유입되었다가, 서로 다른 매니폴드(221, 222)를 통해 배출되는 카운터 플로우(counter flow)형 스택 구조를 갖는다. 구체적으로, 제1 매니폴드(221)는 단위 전지들(210)에 공기를 공급하고 단위 전지들(210)로부터 연료를 배출시키며, 제2 매니폴드(222)는 단위 전지들(210)에 연료를 공급하고 단위 전지들(210)로부터 공기를 배출시킨다.
또한, 연료 전지(102)는 전지 스택(20)의 매니폴드(221, 222)와 열교환기들(51, 52)를 연결하여 공기의 이동 통로가 되는 제1 유로(41), 연료의 이동 통로가 되는 제2 유로(42), 및 촉매 연소기(60)로부터 배기 가스가 배출되는 제3 유로(43)를 더 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에서, 공기는 제1 열교환기(51)를 거쳐 제1 매니폴드(221)를 통해 단위 전지들(210)에 공급되고, 단위 전지들(210)로부터 제2 매니폴드(222)를 통해 제2 열교환기(52)를 거쳐 배출된다. 연료는 제2 열교환기(52)를 거쳐 제2 매니폴드(222)를 통해 단위 전지들(210)에 공급되고, 단위 전지들(210)로부터 제1 매니폴드(221)를 통해 제1 열교환기(51)를 거쳐 배출된다. 그리고 배출된 공기와 연료는 촉매 연소기(60)에서 혼합 연소된 후, 외부로 배출된다. 이때, 공기와 연료가 혼합 연소된 배기 가스는 제1 열교환기(51) 또는 제2 열교환기(52)를 거쳐 외부로 배출되는 것이 효과적이다.
카운터 플로우형 스택 구조를 갖는 연료 전지(102)는 본 발명의 제2 실시예와 같이 공기 및 연료의 흐름을 형성하는 것이 효율적이다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지(102)는 더욱 효과적으로 최대한 균일하게 전체적인 온도를 유지할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10: 전지 스택 31: 제1 유로
32: 제2 유로 33: 제3 유로
50: 열교환기 51: 제1 열교환기
52: 제2 열교환기 60: 촉매 연소기
101: 연료 전지 110: 단위 전지
121: 제1 매니폴드 122: 제2 매니폴드

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 서로 대향하는 양 측부에 매니폴드(manifold)를 구비한 전지 스택(stack); 및
    상기 매니폴드가 구비되지 않은 상기 전지 스택의 서로 대향하는 다른 양 측부에 인접 배치되고, 상기 매니폴드가 구비되지 않은 전지 스택의 측부에 열을 공급하여 연료 전지가 전체적으로 균일한 온도를 유지할 수 있게 하는 한 쌍의 열교환기들
    을 포함하고,
    상기 전지 스택은 각각 전해질, 공기극 및 연료극을 포함하는 복수의 단위 전지들이 적층된 구조를 가지며,
    상기 매니폴드는 상기 복수의 단위 전지들의 상기 공기극 및 상기 연료극에 각각 공기 및 연료를 공급하거나 상기 공기극 및 상기 연료극으로부터 각각 공기, 연료, 및 배기 가스를 배출시키고,
    상기 매니폴드는 제1 매니폴드와 제2 매니폴드를 구비하며,
    상기 제1 매니폴드는 상기 단위 전지들에 상기 공기 및 상기 연료를 공급하고, 상기 제2 매니폴드는 상기 단위 전지들로부터 상기 공기 및 상기 연료를 배출시키며,
    상기 열교환기는 제1 열교환기와 제2 열교환기를 포함하며,
    상기 공기는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 제1 매니폴드를 통해 상기 단위 전지들에 공급되고, 상기 단위 전지들로부터 상기 제2 매니폴드를 통해 상기 제2 열교환기를 거쳐 배출되며,
    상기 연료는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 제1 매니폴드를 통해 상기 단위 전지들에 공급되고, 상기 단위 전지들로부터 상기 제2 매니폴드를 통해 상기 제1 열교환기를 거쳐 배출되는 연료 전지.
  3. 제2항에서,
    상기 전지 스택은 코플로우(co-flow)형 또는 카운터 플로우(counter flow)형 스택 구조를 갖는 연료 전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제2항에서,
    상기 단위 전지들로부터 배출되는 상기 공기 및 상기 연료를 혼합하는 촉매 연소기를 더 포함하는 연료 전지.
  7. 제6항에서,
    상기 촉매 연소기에서 상기 공기와 상기 연료가 혼합 연소된 배기 가스는 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기 중 하나 이상을 거쳐 외부로 배출되는 연료 전지.
  8. 서로 대향하는 양 측부에 매니폴드(manifold)를 구비한 전지 스택(stack); 및
    상기 매니폴드가 구비되지 않은 상기 전지 스택의 서로 대향하는 다른 양 측부에 인접 배치되고, 상기 매니폴드가 구비되지 않은 전지 스택의 측부에 열을 공급하여 연료 전지가 전체적으로 균일한 온도를 유지할 수 있게 하는 한 쌍의 열교환기들
    을 포함하고,
    상기 전지 스택은 각각 전해질, 공기극 및 연료극을 포함하는 복수의 단위 전지들이 적층된 구조를 가지며,
    상기 매니폴드는 상기 복수의 단위 전지들의 상기 공기극 및 상기 연료극에 각각 공기 및 연료를 공급하거나 상기 공기극 및 상기 연료극으로부터 각각 공기, 연료, 및 배기 가스를 배출시키고,
    상기 매니폴드는 제1 매니폴드와 제2 매니폴드를 구비하며,
    상기 제1 매니폴드는 상기 단위 전지들에 상기 공기를 공급하고 상기 단위 전지들로부터 상기 연료를 배출시키며,
    상기 제2 매니폴드는 상기 단위 전지들에 상기 연료를 공급하고 상기 단위 전지들로부터 상기 공기를 배출시키고,
    상기 열교환기는 제1 열교환기와 제2 열교환기를 포함하며,
    상기 공기는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 제1 매니폴드를 통해 상기 단위 전지들에 공급되고, 상기 단위 전지들로부터 상기 제2 매니폴드를 통해 상기 제2 열교환기를 거쳐 배출되고,
    상기 연료는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 제2 매니폴드를 통해 상기 단위 전지들에 공급되고, 상기 단위 전지들로부터 상기 제1 매니폴드를 통해 상기 제1 열교환기를 거쳐 배출되는 연료 전지.
  9. 삭제
  10. 제8항에서,
    상기 단위 전지들로부터 배출되는 상기 공기 및 상기 연료를 혼합하는 촉매 연소기를 더 포함하는 연료 전지.
  11. 제10항에서,
    상기 촉매 연소기에서 상기 공기와 상기 연료가 혼합 연소된 배기 가스는 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기 중 하나 이상을 거쳐 외부로 배출되는 연료 전지.
  12. 제2항, 제3항, 제6항 내지 제8항, 제10항 내지 제11항 중 어느 한 항에서,
    상기 전지 스택은 상기 복수의 단위 전지들을 사이에 배치된 분리판을 더 포함하며,
    상기 분리판은 상기 공기 또는 상기 연료가 통과하는 채널을 가지고, 상기 매니폴드는 상기 채널의 양측에 형성된 연료 전지.
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