KR101253849B1 - 연료전지 스택의 단위전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스택 내부로 연료를 공급토록 연료공급홀이 하나 이상 구비된 분리판 및 상기 분리판에 구비되면서, 연료의 유동을 제어하여, 분리판 내부에 연료를 균일하게 공급토록 제공되는 연료유동 제어수단을 포함하여 구성된 연료전지 스택의 단위전지에 관한 것으로서, 이와 같은 본 발명에 의하면, 이에 따라 분리판 내부의 온도편차를 제어하여 연료전지의 성능 및 수명을 향상시키는 효과가 있다.

Description

연료전지 스택의 단위전지{CELL OF FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택의 단위전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스택 내부로 연료를 공급토록 연료공급홀이 하나 이상 구비된 분리판 및 상기 분리판에 구비되면서, 연료의 유동을 제어하여, 분리판 내부에 연료를 균일하게 공급토록 제공되는 연료유동 제어수단을 포함하고, 이에 따라 분리판 내부의 온도편차를 제어하여 연료전지의 성능 및 수명을 향상시키는 연료전지 스택의 단위전지에 관한 것이다.
연료전지는 수소 또는 탄화수소 계열 연료와 산소로 대표되는 산화제의 전기화학 반응을 이용하여 전기 에너지를 얻는 에너지원으로서, 미래를 대비하는 하는 가장 유망한 청정 에너지원 중 하나로 최근 크게 주목받고 있다.
이러한 연료전지는 크게 전기를 생성하는 스택, 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 스택으로 산화제(공기)를 공급하는 산화제 공급부로 이루어진다.
여기서, 도 1에 도시된 바와 같이 스택(100)은 막전극조립체(140)와 분리판(120)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어지며, 막전극조립체(140)는 연료극(142)과 공기극(144) 사이에 전해질(146)이 중첩된 구조이다.
상기 막전극조립체(140)는 연료의 산화 및 환원제의 환원반응을 통해 전기를 생성한다.
그런데, 연료전지, 특히 고온형 연료전지의 경우 스택 내부의 온도분포는 연료전지의 성능 및 수명에 큰 영향을 미치는 요소로, 불균일한 온도편차로부터 발생하는 열응력으로 인한 스택의 구조적 불안정성, 국부적인 고온화로 인한 구성요소의 열화현상 및 운전범위의 제약 등의 문제를 발생시킨다.
종래기술에 따르면, 연료전지에서 메탄을 연료로 사용시 연료극 물질인 니켈의 활발한 촉매작용으로 고가의 촉매를 별도로 사용하지 않고 직접 내부개질이 가능하다.
이 때, 흡열반응이 일어나게 되므로 연료전지 작동시 발생하는 열을 제어할 수 있을 것으로 기대된다.
그러나, 빠른 흡열 반응으로 인해 연료가 공급되는 입구 쪽 가까이에 있는 셀 부분에서만 냉각효과가 일어나므로, 온도가 상대적으로 높은 셀 중앙 이후 부분의 온도는 제어할 수가 없어 도 2의 그래프에 나타난 바와 같이 큰 온도편차를 이루게 된다.
따라서, 셀의 온도편차를 감소시켜 연료전지의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 스택 내부로 연료를 공급토록 연료공급홀이 하나 이상 구비된 분리판 및 상기 분리판에 구비되면서, 연료의 유동을 제어하여, 분리판 내부에 연료를 균일하게 공급토록 제공되는 연료유동 제어수단을 포함하고, 이에 따라 분리판 내부의 온도편차를 제어하여 연료전지의 성능 및 수명을 향상시키는 연료전지 스택의 단위전지를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 측면으로서 본 발명은, 스택 내부로 연료를 공급토록 연료공급홀이 하나 이상 구비된 분리판 및 상기 분리판에 제공되되, 연료 유동을 제어토록 제공되는 하나 이상의 연료유동 제어수단을 포함하여 구성된 연료전지 스택의 단위전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 연료유동 제어수단은, 상기 연료공급홀의 인접 영역에서 연료의 개질반응이 감소토록 구성되는 제1 연료유동 제어부와, 연료 채널이 구비되는 제2 연료유동 제어부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 제1 연료유동 제어부는, 연료 유동을 방해하는 유동방해부와 연료의 유동경로인 연료유로부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 연료유로부는, 연료가 제2 연료유동 제어부로 유입토록, 상기 유동방해부와 분리판 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 연료유로부는, 상기 제2 연료유동 제어부에 연료가 균등하게 공급되도록, 상기 연료공급홀에서 제2 연료유동 제어부로 갈수록 넓어지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 제1 연료유동 제어부의 상부에, 연료의 일부가 통과하면서 개질반응이 일어나는 다공성의 연료극 집전체가 구비되는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 제2 연료유동 제어부는, 연료 채널 형태로 형성되어, 제1 연료유동 제어부로부터 유입된 연료가 통과하면서 개질반응이 일어나는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 스택 내부로 연료를 공급토록 연료공급홀이 하나 이상 구비된 분리판 및 상기 분리판에 구비되면서, 연료의 유동을 제어토록 제공되는 연료유동 제어수단을 포함하여, 분리판 내부에 연료를 균일하게 공급할 수 있게 하는 이점이 있다.
구체적으로, 상기 연료유동 제어수단에 의해 연료와 연료극 물질의 화학반응이 연료공급홀에 인접한 영역에서만 발생하는 것을 방해하고, 상기 화학반응이 분리판의 중간영역에서도 발생하도록 하여, 분리판 내부의 온도편차를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
따라서, 스택의 불균일한 온도편차에 따른 스택의 구조적 불안정성과 국부전인 고온화 현상에 따른 구성요소의 열화현상을 개선하여, 연료전지의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 및 스택의 구조를 나타내는 구성도
도 2는 종래기술에 따른 분리판 내부의 온도 분포를 나타내는 그래프
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 분리판을 도시한 평면도
도 4는 도 3의 분리판을 도시한 사시도
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 분리판의 다른 실시예를 도시한 평면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 스택의 단위전지를 상세하게 설명한다.
상기에서 설명한 종래기술에서는, 연료공급홀을 통해 연료가 스택 내부에 공급된다. 그런데, 연료(메탄)와 연료극 물질(니켈)의 흡열반응속도가 매우 빨라 연료공급홀의 인접한 영역에서만 냉각효과가 집중적으로 일어난다.
즉, 연료공급홀의 인접한 영역의 온도는 낮아지는 반면에, 연료와 연료극 물질의 화학반응이 적게 일어나는 분리판의 중간 영역 이후는 온도가 높다.
따라서, 종래기술에 따르면 분리판 내부의 전체적인 온도는 낮아질 수 있으나, 도 2에 나타난 바와 같이 분리판 내부의 온도편차는 오히려 커지는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 종래기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 연료가 연료공급홀의 인접한 영역에서 벗어난 부분에서 연료극 물질과 개질반응이 일어나도록 하는, 분리판의 구조에 관한 것이다.
도 3에서 본 발명에 따른 연료전지 스택의 단위전지의 분리판(10)을 나태내고, 도 4에서 도 3의 분리판(10)을 입체적으로 나타내고 있다.
본 발명에 따른 연료전지 스택의 단위전지는, 스택(100) 내부로 연료를 공급토록 연료공급홀(20)이 하나 이상 구비된 분리판(10) 및 상기 분리판(10)에 구비되면서, 연료의 유동을 제어하여, 분리판(10) 내부에 연료를 균일하게 공급토록 제공되는 연료유동 제어수단(30)을 포함하여 구성된다.
즉, 연료유동 제어수단(30)이 구비된 분리판(10)의 구조에 따라 연료의 유동을 제어하여, 연료가 분리판(10) 내부의 냉각이 필요한 부분에서 개질반응이 일어나도록 한다.
상기 종래기술에서, 연료공급홀(20)로부터 먼 중간 영역 이후 부분에서는 개질반응이 약하게 일어나 온도가 높다. 이러한 고온부분은 냉각하여 온도편차를 감소시킬 필요가 있다.
본 발명은 이와 같은 고온부분으로 연료가 유동하여 고온부분에서 개질반응이 충분히 일어나도록 하여 냉각시킴으로써 온도편차를 감소시키고자 하는 것이다.
다음, 본 발명의 연료유동 제어수단(30)은, 상기 연료공급홀(20)의 인접한 영역에 연료 반응을 억제토록 구성된 제1 연료유동 제어부(40)와 상기 제1 연료유동 제어부를 통과한 연료가 공급되는 부분인 제2 연료유동 제어부(50)로 구성되어, 연료가 균일하게 분배되는 것을 특징으로 한다.
즉, 제1 연료유동 제어부(40)를 연료공급홀(20) 가까이에 형성하여 연료공급홀(20)의 인접한 영역에서 연료와 연료극 물질의 개질반응을 억제시킨다. 이에 따라 연료공급홀(20)의 인접한 영역에서의 냉각효과가 감소하게 된다.
그리고, 반응하지 않은 연료는 제1 연료유동 제어부(40)를 통과하여 제2 연료유동 제어부(50)로 흘러 들어가 연료배출홀 쪽으로 유동하게 된다. 연료가 제2 연료유동 제어부(50)에서 유동하면서 연료극 물질과 개질반응을 하게 된다.
이 때, 개질반응은 흡열반응이므로 제2 연료유동 제어부(50) 부분의 온도를 낮추는 효과가 있다. 즉, 분리판(10) 내부의 고온부분에 상기 제2 연료유동 제어부(50)가 형성되도록 하여, 고온부분을 냉각시키는 것이다.
분리판(10)에서 제1 연료유동 제어부(40)와 제2 연료유동 제어부(50)가 각각 차지하는 비율은 고온부분의 위치에 따라 조절하는 것이 바람직하다. 즉, 연료와 연료극 물질의 성질에 따라 개질반응이 일어나는 정도가 달라 고온부분의 위치가 다를 수 있다. 따라서, 고온부분이 형성되는 위치에 제2 연료유동 제어부(50)가 형성되도록 구성한다.
다음, 본 발명의 제1 연료유동 제어부(40)는, 연료의 유동을 방해하는 유동방해부(42)와 연료가 제1 연료유동 제어부(40)를 통과토록 제공되는 연료유로부(44)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 연료공급홀(20)의 인접한 영역을 상기 유동방해부(42)가 차지하고 있다. 따라서, 연료와 연료극 물질이 접촉하기 어려워 개질반응이 일어나는 것을 방해한다. 구체적으로는, 분리판(10) 상부에서 연료극 집전체(60)가 적층된다. 이 때, 연료극 집전체(60)는 니켈 폼(Ni-Foam) 또는 니켈 메쉬(Ni-mesh) 형태이므로, 연료와 연료극 물질의 개질반응이 일어나지 않는 것은 아니고, 기존의 분리판(10)에 비해 상대적으로 적게 일어나 냉각효과가 적게 발생된다.
그리고, 반응하지 않은 연료는 연료유로부(44)를 통해 제2 연료유동 제어부(50)로 공급되고, 상기 설명한 바와 같이 제2 연료유동 제어부(50)에서 개질반응이 일어나 냉각효과가 발생한다.
다시 말해, 연료공급홀(20)을 통해 공급된 연료의 일부는 유동방해부(42)에 가로막혀 반응하지 못하고, 연료유로부(44)를 통해 제2 연료유동 제어부(50)로 흘러 들어간다. 그리고, 고온의 제2 연료유동 제어부(50)에서 개질반응이 일어나 냉각시킨다.
다음, 도 3 및 4에 도시된 분리판(10) 구조가 나타나 있는데, 이는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 단위전지의 분리판(10)의 일 예이다.
도시된 본 발명의 연료유로부(44)는, 연료가 상기 제1 연료유동 제어부(40)를 통과하여 제2 연료유동 제어부(50)에 공급되도록, 상기 유동방해부(42) 양측에 형성되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 연료공급홀(20)로부터 공급된 연료는 인접한 영역의 중앙 부분 대부분을 차지하고 있는 유동방해부(42)에 막혀 개질반응이 일어나지 못한다. 다만, 상기에서 설명한 바와 같이 적층된 니켈 폼의 연료극 집전체(60)에서 개질반응이 조금 일어난다.
그리고, 유동방해부(42)에 막힌 연료는 유동방해부(42)의 양측에 형성된 연료유로부(44)를 통해 제2 연료유동 제어부(50)로 흘러 들어간다. 제2 연료유동 제어부(50)는 홈부(53)과 돌출부(52)가 반복적으로 구비되는 연료 채널 형태로 형성되어 있으므로, 흘러 들어온 연료는 연료 채널 홈부(53)를 통과하면서 개질반응을 일으킨다.
이와 같이, 본 발명의 제1 연료유동 제어부(40)는 도 3 및 4에 도시된 구조에 한정되지 않음은 물론이다.
즉, 도면에서는 유동방해부(42)의 양측에만 연료유로부(44)가 형성되어 있는 구조이다. 그러나, 이 경우에는 연료가 흘러 들어가는 제2 연료유동 제어부(50)의 양쪽으로 연료가 집중될 수 있으므로, 제2 연료유동 제어부(50) 내에서도 유동방향에 대해 양쪽과 중간에서 온도편차가 발생할 수 있다.
따라서, 도시하지는 않았으나 이를 고려하여, 유동방해부(42)를 가로질러 제2 연료유동 제어부(50)로 이어지는 연료유로부(44)가 더 형성될 수 있다. 연료유로부(44)의 개수나 크기에 제한이 있는 것은 아니며, 필요에 따라 적절하게 조정되어 설치된다.
또한, 다른 방법으로서 본 발명의 연료유로부(44)는, 상기 제2 연료유동 제어부(50)에 연료가 균등하게 공급되도록, 상기 연료공급홀(20)에서 제2 연료유동 제어부(50)로 갈수록 넓어지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 제1 연료유동 제어부(40)의 일 예가 적용된 분리판이 도 5에 도시되어 있다.
즉, 상기에서는 연료유로부(44)를 통과한 연료가 제2 연료유동 제어부(50)에 균등하게 공급되도록, 연료유로부(44)의 개수나 위치를 조절한 것임에 반해, 도 5에 도시된 제1 연료유동 제어부(40)는 연료유로부(44)의 형태를 변경한 것이다.
구체적으로, 연료가 연료유로부(44)로 유입되는 입구 부분은 좁게 하여, 유동방해부(42)에 의해 연료공급홀(20) 가까이에서의 개질반응을 방해한다. 그리고, 연료유로부(44)가 제2 연료유동 제어부(50) 쪽으로 갈수록 넓게 형성되어 연료유로부(44)에 유입된 연료가 제2 연료유동 제어부(50) 일부에 집중되지 않고, 고르게 제2 연료유동 제어부(50)에 들어가게 된다.
이렇게 연료가 제2 연료유동 제어부(50)에 균등하게 흘러 들어가게 됨으로써, 제2 연료유동 제어부(50)에서 전체적으로 균일하게 개질반응이 일어나게 된다. 따라서, 제2 연료유동 제어부(50)의 유동방향에 대한 양쪽과 중간부분 간의 온도편차를 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명의 분리판(10) 구조에 따라 원하는 곳에 냉각효과를 발생시켜, 스택 내부의 온도편차를 균일하게 제어할 수 있어, 불균일한 온도편차에 의한 스택 구조적 불안전성 및 국부적인 고온화로 인한 구성요소의 열화현상을 개선하여, 연료전지의 성능 및 수명을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
10 ... 분리판 20 ... 연료공급홀
30 ... 연료유동 제어수단 40 ... 제1 연료유동 제어부
42 ... 유동방해부 44 ... 연료유로부
50 ... 제2 연료유동 제어부 52 ... 연료 채널 돌출부
53 ... 연료 채널 홈부 60 ... 연료극 집전체

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 스택(100) 내부로 연료를 공급토록 연료공급홀(20)이 하나 이상 구비된 분리판(10); 및
    상기 분리판(10)에 제공되되 연료 유동을 제어토록, 상기 연료공급홀(20)의 인접 영역에서 연료의 개질반응이 감소토록 구성되는 제1 연료유동 제어부(40)와, 연료 채널이 구비되는 제2 연료유동 제어부(50)로 구성되는 하나 이상의 연료유동 제어수단(30);
    을 포함하며,
    상기 제1 연료유동 제어부(40)는, 연료 유동을 방해하는 유동방해부(42)와 상기 제2 연료유동 제어부(50)에 연료가 균등하게 공급되도록, 상기 연료공급홀(20)에서 제2 연료유동 제어부로 갈수록 넓어지게 형성되는 연료의 유동경로인 연료유로부(44)로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 단위전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료유로부(44)는, 연료가 제2 연료유동 제어부(50)로 유입토록, 상기 유동방해부(42)와 분리판 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 단위전지.
  5. 삭제
  6. 스택(100) 내부로 연료를 공급토록 연료공급홀(20)이 하나 이상 구비된 분리판(10); 및
    상기 분리판(10)에 제공되되 연료 유동을 제어토록, 상기 연료공급홀(20)의 인접 영역에서 연료의 개질반응이 감소토록 구성되는 제1 연료유동 제어부(40)와, 연료 채널이 구비되는 제2 연료유동 제어부(50)로 구성되는 하나 이상의 연료유동 제어수단(30);
    을 포함하며,
    상기 제1 연료유동 제어부(40)는, 연료 유동을 방해하는 유동방해부(42)와 연료의 유동경로인 연료유로부(44)로 구성되고,
    상기 제1 연료유동 제어부(40)의 상부에, 연료의 일부가 통과하면서 개질반응이 일어나는 다공성의 연료극 집전체(60)가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 단위전지.
  7. 제3항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제2 연료유동 제어부(50)는, 연료 채널 형태로 형성되어, 제1 연료유동 제어부(40)로부터 유입된 연료가 통과하면서 개질반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 단위전지.
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