KR101251254B1 - 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 애노드 플레이트(AP) 및 캐소드 플레이트(CP)를 간단하게 변형한 엔드 애노드 플레이트(EAP) 및 엔드 캐소드 플레이트(ECP)를 상기 캐소드 플레이트(CP) 및 애노드 플레이트(AP)와 조합하여 더미셀을 구성하고, 상기 더미셀을 엔드셀 부에 위치시킴으로 간단한 구성을 통해 효과적으로 응축수를 배출하고, 셀로의 물 유입을 최소화할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 다수의 셀이 스택 양단의 엔드 플레이트(EP) 사이에 적층 된 연료전지 스택에 있어서, 스택 발전부의 엔드셀과 상기 양단의 엔드 플레이트(EP) 사이에는 스택 물 배출을 위한 더미셀로서 캐소드 더미셀(CD)과 애노드 더미셀(AD)이 각각 적어도 일 측에 한 개 이상 적층 되는 것을 특징으로 하는 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택을 제공한다.

Description

물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택{Fuel cell stack having water drain structure}
본 발명은 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 애노드 플레이트(AP) 및 캐소드 플레이트(CP)를 간단하게 변형한 엔드 애노드 플레이트(EAP) 및 엔드 캐소드 플레이트(ECP)를 상기 캐소드 플레이트(CP) 및 애노드 플레이트(AP)와 조합하여 더미셀을 구성하고, 상기 더미셀을 엔드셀 부에 위치시킴으로 간단한 구성을 통해 효과적으로 응축수를 배출하고, 셀로의 물 유입을 최소화할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(BP:Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 분리판(BP)은 수소가 공급되는 유로가 형성된 애노드 플레이트(AP:Anode Plate)와, 산소를 포함하는 공기가 공급되는 유로가 형성된 캐소드 플레이트(CP:Cathode Plate)로 구분된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)는 각각 애노드 플레이트(AP)와 캐소드 플레이트(CP)의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 공급된다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. 상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
도 5는 일반적인 연료전지 스택(1)의 일 예를 나타내고 있으며, 도 6은 상기 스택에 사용되는 분리판(BP) 중 하나인 애노드 플레이트(AP, 10)를 나타내고 있다.
차량용 연료전지 스택(1)은 다수의 셀(5)이 직렬로 연결되는 구조로, 전기 발전에 필요한 공기 및 수소가 도 5에 도시된 바와 같이 스택(1)의 한쪽 끝에서 공급 및 배출되는 구조를 가질 수 있다.
즉, 공기 및 수소가 공용분배기(2)를 통해 매니폴드 구멍이 뚫린 open EP(엔드 플레이트, 3)로 유입되어 스택 발전부(7)를 순환한 후, 다시 open EP(3)를 통해 배출될 수 있다. 여기서, 캐소드 순환(Cathode loop)의 경우 가습기(미도시)를 통하여 스택(1)으로 공급된 공기가 스택(1)을 통과하고, 다시 가습기를 거쳐 차량 외부로 배출된다. 또한, 애노드 순환(Anode loop)의 경우 수소 탱크(미도시)로부터 공급된 수소가 수소공급시스템(FPS, 미도시)을 통해 스택(1)에 공급되고, 스택(1)에서 배출된 잔여 수소는 계속 FPS와 스택 사이를 순환하게 된다.
상기 스택 발전부(7)의 각각의 셀(5)은 애노드 플레이트(AP)-기체확산층(GDL)-막전극접합체(MEA)-기체확산층(GDL)-캐소드 플레이트(CP)의 적층 구조를 가지고 있는데, 상기 애노드 플레이트(10) 및 캐소드 플레이트는 도 6에 도시된 바와 같이 수소, 냉각수 및 공기가 각각 통과하는 매니폴드(12, 14, 16)가 양 단에 구비되어 있다.
이때, 상기 애노드 플레이트(10)의 경우 도 6에 나타난 바와 같이 수소 매니폴드(12)와 연통하는 수소 입/출구 홀(13)이 형성되어 상기 애노드 플레이트의 셀 반응면에 형성된 수소 유로(15)를 통해 수소가 통과할 수 있게 된다. 상기 애노드 플레이트(10)의 외곽 및 매니폴드(12, 14, 16)의 외곽을 둘러싸는 가스켓(18)은 상기 매니폴드(12, 14, 16) 및 수소 유로(15)를 통과하는 각 유체들의 기밀이 유지되도록 하며, 수소 매니폴드(12)를 통과하는 수소만이 상기 수소 입/출구 홀(13)을 거쳐 수소 유로(15)를 통과할 수 있게 된다. 또한, 캐소드 플레이트의 경우 상기 원리와 마찬가지로, 공기 매니폴드와 연통하는 공기 입/출구 홀이 형성되어 상기 캐소드 플레이트의 셀 반응면에 형성된 공기 유로를 통해 공기가 통과할 수 있게 된다.
한편, 상기와 같은 연료전지 스택의 순환과정에서, 스택 발전부의 캐소드 입구(Cathode IN) 측은 가습기-공용분배기-엔드플레이트-스택(분리판) 매니폴드를 거치며 응축수 등이 유입될 수 있고, 애노드 입구(Anode IN) 측은 FPS-공용분배기-엔드플레이트-스택(분리판) 매니폴드를 거친 응축수 및 캐소드로부터 MEA 막을 넘어온 물들이 유입될 수 있다.
이러한 경우에 유입된 물들은 open EP(3)에 맞닿은 최외곽 셀들로 유입이 되면서 셀 전압의 급격한 하락/상승 반복, 셀 내부에 다량의 물 존재로 인한 MEA 촉매 열화를 일으킨다. 이러한 현상은 Closed Loop로 구성된 애노드 순환(Anode loop)에서 더욱 심각하게 발생한다. 또한, 매니폴드 구멍이 없는 close EP(엔드 플레이트, 4) 부근의 최외곽 셀들의 경우에는 분리판 인렛 매니폴드를 통해 수소나 공기가 공급될 때 스택 길이방향으로의 매니폴드에서 응축된 물들이 상기 close EP(4) 측으로 쓸려와서 최외곽 셀들로 유입이 될 수 있다.
셀 내부의 MEA를 가습해주는 수분 이외의 응축수들을 스택 내부에서 제거하는 것은 연료전지 차량의 성능 안정성 및 내구성에 있어서 대단히 중요한 기술적 과제이다. 이를 위해, 종래의 경우 차량의 운전/제어 기술이나 워터 트랩(water trap) 등을 설치하여 물 제거를 수행하였으나, 완전한 물 제거에 어려움이 있었다.
또한, 미국 특허 US 7,163,760에서는 스택의 발전부 끝단(엔드셀 및 엔드 플레이트) 부분에 bypass plate와 intermediate plate의 구조를 따로 구성하여 수소나 공기가 스택의 발전부로 공급될 때 함께 쓸려 들어올 수 있는 응축수 등이 발전부로 유입되지 않고 스택 밖으로 배출될 수 있는 구성을 제시한 바 있다. 그러나 상기 특허에 따른 구성으로는 스택의 구성 부품에 추가적으로 bypass plate와 intermediate plate를 따로 개발 및 제작해야 하며, 스택의 전체적인 부품 구성이 복잡해지는 단점이 있었다.
따라서 본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는데 그 목적이 있는 발명으로서, 기존의 연료전지 스택을 구성하는 셀 구조와 유사한 구성을 조합하여 엔드셀 부에 위치시킴으로 간단한 구성을 통해 효과적으로 응축수를 배출할 수 있는 연료전지 스택을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택은, 다수의 셀이 스택 양단의 엔드 플레이트(EP) 사이에 적층 된 연료전지 스택에 있어서, 스택 발전부의 엔드셀과 상기 양단의 엔드 플레이트(EP) 사이에는 스택 물 배출을 위한 더미셀로서 캐소드 더미셀(CD)과 애노드 더미셀(AD)이 각각 적어도 일 측에 한 개 이상 적층 되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 캐소드 더미셀(CD)은 캐소드 플레이트(CP) 및 엔드 애노드 플레이트(EAP) 분리판을 포함하여 이루어지며, 상기 애노드 더미셀(AD)은 애노드 플레이트(AP) 및 엔드 캐소드 플레이트(ECP) 분리판을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 엔드 애노드 플레이트(EAP)는 애노드 플레이트(AP)의 수소 입/출구 홀이 제거되어 이루어지며, 상기 엔드 캐소드 플레이트(ECP)는 캐소드 플레이트(CP)의 공기 입/출구 홀이 제거되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캐소드 더미셀(CD)의 캐소드 플레이트(CP) 및 엔드 애노드 플레이트(EAP) 사이와, 상기 애노드 더미셀(AD)의 애노드 플레이트(AP) 및 엔드 캐소드 플레이트(ECP) 사이에는 기체확산층(GDL)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 캐소드 더미셀(CD) 및 애노드 더미셀(AD)은 막전극접합체(MEA)를 포함하지 않고 2개의 기체확산층(GDL)이 서로 접합하여 적층 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 엔드셀 또는 더미셀이 스택 양단의 엔드 플레이트(EP)와 접하는 면에는, 더미 엔드 플레이트로서 엔드 캐소드 플레이트(ECP) 또는 엔드 애노드 플레이트(EAP)가 더 적층 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 스택 양단의 엔드 플레이트(EP)와 상기 더미 엔드 플레이트 사이에는 기체확산층(GDL)이 더 적층 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택에 의하면, 엔드 애노드 플레이트(EAP) 및 엔드 캐소드 플레이트(ECP)를 일반적인 캐소드 플레이트(CP) 및 애노드 플레이트(AP)와 조합하여 더미셀을 구성하고, 상기 더미셀을 엔드셀 부에 위치시킴으로 효과적으로 응축수를 배출할 수 있으며, 스택 셀로의 물 유입을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 엔드 애노드 플레이트(EAP) 및 엔드 캐소드 플레이트(ECP)는 기존의 애노드 플레이트(AP) 및 캐소드 플레이트(CP)에서 수소(또는 공기) 입/출구 홀 만을 제거한 것으로서, 기존의 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트의 성형 공정에서 수소(공기) 입/출구 홀을 제작하는 펀칭 과정만을 생략하여 제작할 수 있으므로 제작 공정이 간소화되고, 추가적인 제작 설비가 필요하지 않아 비용을 절감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 적층 구조를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용되는 엔드 애노드 플레이트(EAP)를 나타내는 사시도.
도 3은 일반적인 셀 구성으로 이루어진 종래의 스택 발전부에서 open EP로부터 유입된 물이 셀로 유입되는 양상을 나타내는 그래프.
도 4는 인위적인 물 주입 상황에서 기존의 스택 구조와 본 발명의 실시예에 따른 스택 구조에서의 셀 전압 변동 상황을 나타내는 그래프.
도 5는 연료전지 스택의 구성을 나타내는 개략도.
도 6은 종래 기술에 따른 애노드 플레이트(AP)를 나타내는 사시도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 적층 구조를 나타내고 있으며, 도 2는 본 발명의 실시예에서 사용되는 엔드 애노드 플레이트(EAP)의 구성을 나타내고 있다.
본 발명은 스택에 유입되는 응축수를 효과적으로 배출하기 위하여 스택 발전부의 엔드셀과 스택 양단의 엔드 플레이트(EP) 사이에 적층 되는 더미셀을 포함한다. 일반적인 셀 구조는 애노드 플레이트(AP)-기체확산층(GDL)-막전극접합체(MEA)-기체확산층(GDL)-캐소드 플레이트(CP)로 이루어지는데, 본 발명의 실시예에서 사용되는 더미셀은 캐소드 플레이트(CP)-엔드 애노드 플레이트(EAP)를 포함하는 캐소드 더미셀 또는 애노드 플레이트(AP)-엔드 캐소드 플레이트(ECP)를 포함하는 애노드 더미셀로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 사용되는 엔드 애노드 플레이트(EAP)와 엔드 캐소드 플레이트(ECP)는 기존의 애노드 플레이트(AP) 및 캐소드 플레이트(CP)에서 수소 입/출구 홀과 공기 입/출구 홀을 제거한 것이다. 도 2를 참조로 하면, 본 발명의 실시예에 따른 엔드 애노드 플레이트(100)는 양 단에 수소 매니폴드(120), 냉각수 매니폴드(140) 및 공기 매니폴드(160)를 구비하고 있으며, 기존의 애노드 플레이트(AP)와 동일한 형상으로 제작될 수 있다.
다만, 상기 엔드 애노드 플레이트(100)는 수소 매니폴드(120)와 연통 되는 수소 입/출구 홀을 구비하지 않으며, 따라서 수소 매니폴드(120)를 통과하는 수소 기체가 가스켓(180)에 가로막혀 상기 엔드 애노드 플레이트(100)의 셀 반응면으로 유입되지 않는다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔드 캐소드 플레이트(ECP) 역시 공기 매니폴드와 연통 되는 공기 입/출구 홀을 구비하지 않으며, 이에 따라 공기 매니폴드를 통과하는 공기가 상기 엔드 캐소드 플레이트(ECP)의 셀 반응면으로 유입되지 않게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 더미셀은 화학 반응의 진행 없이 물 배출을 위하여 적층되는 셀로서, 상기 엔드 애노드 플레이트(EAP) 또는 엔드 캐소드 플레이트(ECP)를 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 애노드의 물 배출을 위한 애노드 더미셀(ED)은 애노드 플레이트(AP)와 엔드 캐소드 플레이트(ECP)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 캐소드의 물 배출을 위한 캐소드 더미셀(CD)은 캐소드 플레이트(CP)와 엔드 애노드 플레이트(EAP)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 애노드 더미셀(ED)은 애노드 플레이트(AP)를 통해 수소가 유입되지만, 엔드 캐소드 플레이트(ECP)를 통한 공기의 유입이 이루어지지 않아 연료전지 화학 반응이 일어나지 않게 되며, 애노드의 물 배출만이 이루어질 수 있게 된다. 마찬가지로 상기 캐소드 더미셀(CD)은 캐소드 플레이트(CP)를 통해 공기가 유입되지만, 엔드 애노드 플레이트(EAP)를 통한 수소 기체의 유입은 이루어지지 않아 연료전지 화학 반응이 일어나지 않고, 캐소드의 물 배출만이 일어나게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 캐소드 더미셀(CD)의 캐소드 플레이트(CP) 및 엔드 애노드 플레이트(EAP) 사이에는 기체확산층(GDL)을 더 포함할 수 있다. 상기 기체확산층(GDL)은 분리판 간의 전기적 접촉을 유지할 수 있도록 해주며, MEA가 들어가지 않는 캐소드 더미셀(CD)에서 셀의 내부 공간을 가스켓 압축 후 두께에 맞도록 채워줌으로 구조적인 안정성을 유지하도록 한다. 바람직하게는 상기 캐소드 더미셀(CD) 내부에는 2 개의 기체확산층(GDL)이 서로 접합 된 기체확산층 접합체(GG)가 적층 되도록 할 수 있으며, 이를 통해 일반적인 셀의 두께에 맞추어 구조적 안정성을 유지할 수 있다. 상기 기체확산층(GDL)은 애노드 더미셀(AD)의 애노드 플레이트(AD) 및 엔드 캐소드 플레이트(ECP) 사이에도 마찬가지로 적층 될 수 있다.
도 1은 상기 언급한 더미셀을 본 발명의 일 실시예에 따라 배치한 스택의 구성을 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 다수의 셀(5)이 반복되는 스택 발전부의 엔드셀과 엔드 플레이트 사이에는 본 발명의 실시예에 따른 캐소드 더미셀(300) 또는 애노드 더미셀(320)이 적층 될 수 있다.
이때, 도면 부호 30은 GDL-MEA-GDL이 접합 된 5-layer MEA를 나타내며, 도면 부호 60은 2 개의 GDL이 접합된 기체확산층 접합체(GG)를 나타낸다. 또한, 도 1은 본 발명의 일 실시예로서 스택 양단이 open EP(3)와 close EP(4)로 구성된 것을 나타내고 있으나 스택 양단이 모두 open EP로 구성된 것도 가능하며, 도시된 셀 구성은 스택 모듈의 +, - 방향에 따라 반대 순서로의 구성도 가능하다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예는, open EP(3)-캐소드 더미셀(300)-애노드 더미셀(320)-일반 셀(5) 반복-애노드 더미셀(320)-캐소드 더미셀(320)-close EP(4)로 이루어진 구성을 나타내고 있다. 상기 실시예에서 open EP(3) 측에 적층 된 캐소드 더미셀(300)에는 공기의 유입만 이루어지고, 애노드 더미셀(320)에는 수소의 유입만 이루어진다. 따라서, open EP(3)의 공기 매니폴드를 통해 유입된 물은 대부분 상기 캐소드 더미셀(300)을 통하여 스택 출구로 배출되며, open EP(3)의 수소 매니폴드를 통해 유입된 물은 대부분 상기 애노드 더미셀(320)을 통하여 스택 출구로 배출될 수 있다.
또한, 스택 매니폴드의 길이방향으로 매니폴드에서 응축되어 close EP(4) 측으로 유입되는 물들은 close EP(4) 측에 적층 된 캐소드 더미셀(300)과 애노드 더미셀(320)을 통해 같은 방법으로 배출될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 스택 발전부의 양 단 최외곽부에 위치한 엔드셀로의 물 유입을 최소화할 수 있으며, 스택으로 유입되는 물들은 효과적으로 제거가 가능하게 된다.
본 발명에서 연료전지 스택은 상기 캐소드 더미셀(300)과 애노드 더미셀(320)을 다양한 조합으로 적층 할 수 있다. 즉, 상기 캐소드 더미셀(300)과 애노드 더미셀(320)이 각각 스택 발전부의 엔드셀과 양단의 엔드 플레이트(3, 4) 사이의 적어도 일 측에 한 개 이상 적층 되도록 하는 구조라면 다양한 조합 및 수량으로 구성이 가능하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 스택 발전부 엔드셀 또는 더미셀이 스택 양단의 엔드 플레이트(3, 4)와 접하는 면에는, 더미 엔드 플레이트로서 엔드 캐소드 플레이트(200) 또는 엔드 애노드 플레이트(100)가 더 적층 되도록 할 수 있다. 상기 더미 엔드 플레이트는 상기 엔드 플레이트(3, 4)와 접하는 엔드셀 또는 더미셀의 최외곽 분리판과 접합하여 냉각수 유로를 형성할 수 있다. 또한, 상기 더미 엔드 플레이가 엔드 캐소드 플레이트(200) 또는 엔드 애노드 플레이트(100)로 이루어짐으로 엔드 플레이트(3, 4) 측의 집전판으로 수소 또는 공기가 유입되지 않도록 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 스택 발전부 엔드셀 또는 더미셀의 최외곽 분리판과 엔드 플레이트(3, 4) 사이, 또는 더미 엔드 플레이트와 엔드 플레이트(3, 4) 사이에는 가스확산층(40)이 더 적층 되도록 할 수 있다. 도체로 이루어진 상기 가스확산층(40)이 삽입됨으로, 엔드 플레이트(3, 4) 내부에 삽입된 집전판과 최외곽 분리판(또는 더미 엔드 플레이트) 간의 전기적 접촉이 이루어질 수 있다.
이처럼 본 발명에 따른 연료전지 스택은 간단한 구성을 통하여 스택 물 배출 구조를 형성할 수 있게 된다. 즉, 본 발명에서 사용되는 엔드 애노드 플레이트(EAP) 및 엔드 캐소드 플레이트(ECP)는 기존의 애노드 플레이트(AP) 및 캐소드 플레이트(CP)에서 수소(또는 공기) 입/출구 홀 만을 제거한 것으로서, 기존의 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트의 성형 공정에서 수소(공기) 입/출구 홀을 제작하는 펀칭 과정만을 생략하여 제작할 수 있으므로 제작 공정이 간소화될 수 있으며, 효율적으로 응축수를 배출할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 효과를 살펴보기 위해, 도 3은 일반적인 셀 구성으로 이루어진 종래의 스택 발전부에서 open EP로부터 유입된 물이 셀로 유입되는 양상을 나타내고 있으며, 도 4는 인위적인 물 주입 상황에서 기존의 스택 구조와 본 발명의 실시예에 따른 스택 구조에서의 셀 전압 변동 상황을 나타내고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일반적인 스택 구조에서 스택으로 물 유입이 일어날 경우, 물 유입이 시작 된지 1~2초 내에 대부분의 물은 1번 셀로 유입되고, 상당량의 물이 2번 셀로 유입되며, 그 이후의 셀에는 물이 거의 유입이 되지 않음을 알 수 있다. 따라서 응축수 등 물이 스택에 유입되는 경우 최외곽 부근의 셀(엔드셀 부)이 가장 취약할 것으로 예상된다.
도 4는 실제 스택 모듈을 이용하여 애노드 입구에 악의적인 조건인 30g/sec로 물을 주입했을 경우 기존 스택 구조와 본 발명의 스택 구조의 거동을 나타내고 있다. 기존 스택 구조에서는 물 주입 즉시 1번 셀의 성능(전압)이 급격히 하락하고 2번 셀도 영향을 받게 되지만, 본 발명의 스택 구조에서는 수백초가 지나도 엔드셀 부근의 급격한 셀 성능(전압) 하락을 관찰할 수 없었다. 이는 유입되는 대부분의 물이 본 발명에서 적용된 더미셀로 유입되고 바로 배출되기 때문에, 실제 발전부 셀에는 물 유입이 최소화되고 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지 스택은 실제 차량에서 스택으로의 물 유입에 따른 셀 성능 불안정성, 과량의 물이 셀 내부에 존재함으로 인한 MEA 촉매 열화를 최소화할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있다. 따라서 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
1 : 연료전지 스택 2 : 공용 분배기
3 : open EP 4 : close EP
5 : 셀 7 : 스택 발전부
10 : 애노드 플레이트(AP) 20 : 캐소드 플레이트(CP)
30 : 5-layer MEA 40 : 기체확산층(GDL)
60 : 기체확산층 접합체(GG) 100 : 엔드 애노드 플레이트(EAP)
120 : 수소 매니폴드 140 : 냉각수 매니폴드
160 : 공기 매니폴드 180 : 가스켓
200 : 엔드 캐소드 플레이트(ECP) 300 : 캐소드 더미셀
320 : 애노드 더미셀

Claims (7)

  1. 다수의 셀이 스택 양단의 엔드 플레이트(EP) 사이에 적층 된 연료전지 스택에 있어서,
    스택 발전부의 엔드셀과 상기 양단의 엔드 플레이트(EP) 사이에는 스택 물 배출을 위한 더미셀로서 캐소드 더미셀(CD)과 애노드 더미셀(AD)이 각각 적어도 일 측에 한 개 이상 적층 되며,
    상기 캐소드 더미셀(CD)은 캐소드 플레이트(CP) 및 엔드 애노드 플레이트(EAP) 분리판을 포함하여 이루어지며, 상기 애노드 더미셀(AD)은 애노드 플레이트(AP) 및 엔드 캐소드 플레이트(ECP) 분리판을 포함하여 이루어지고,
    상기 엔드 애노드 플레이트(EAP)는 애노드 플레이트(AP)의 수소 입/출구 홀이 제거되어 이루어지며, 상기 엔드 캐소드 플레이트(ECP)는 캐소드 플레이트(CP)의 공기 입/출구 홀이 제거되어 이루어져,
    공기 매니폴드를 통해 유입된 물은 캐소드 더미셀을 통하여 스택 출구를 통해 배출되며, 수소 매니폴드를 통해 유입된 물은 애노드 더미셀을 통하여 스택 출구로 배출될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 캐소드 더미셀(CD)의 캐소드 플레이트(CP) 및 엔드 애노드 플레이트(EAP) 사이와, 상기 애노드 더미셀(AD)의 애노드 플레이트(AP) 및 엔드 캐소드 플레이트(ECP) 사이에는 기체확산층(GDL)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 캐소드 더미셀(CD) 및 애노드 더미셀(AD)은 막전극접합체(MEA)를 포함하지 않고 2개의 기체확산층(GDL)이 서로 접합하여 적층 되는 것을 특징으로 하는 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 엔드셀 또는 더미셀이 스택 양단의 엔드 플레이트(EP)와 접하는 면에는, 더미 엔드 플레이트로서 엔드 캐소드 플레이트(ECP) 또는 엔드 애노드 플레이트(EAP)가 더 적층 되는 것을 특징으로 하는 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택.
  7. 제 6항에 있어서,
    스택 양단의 엔드 플레이트(EP)와 상기 더미 엔드 플레이트 사이에는 기체확산층(GDL)이 더 적층 되는 것을 특징으로 하는 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택.
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