KR101253905B1 - 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 스택 내부로 연료를 유입시키는 연료공급홀과 상기 연료가 이동되는 통로인 연료 채널부가 구비된 분리판 및 상기 연료 채널부를 따라 위치하되, 그 일단이 상기 연료공급홀에 위치하는 적어도 하나의 마이크로 파이프를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 마이크로 파이프에서 공급되는 연료가 연료극 물질과 흡열 반응하여 냉각 효과가 발생하고, 이에 따라 스택의 온도편차를 감소시켜, 연료전지의 성능 및 수명을 향상시키는 효과가 있다.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스택 내부로 연료를 유입시키는 연료공급홀과 상기 연료가 이동되는 통로인 연료 채널부가 구비된 분리판 및 상기 연료 채널부를 따라 위치하되, 그 일단이 상기 연료공급홀에 위치하는 적어도 하나의 마이크로 파이프를 포함하는 연료전지 스택에 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, 스택(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 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.

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.

종래기술로는 연료(메탄)의 일부분을 스택 내부에서 개질하는 내부개질(IR: Internal Reforming)을 적용하기 위하여, 스택 적층부의 중간부분에 내부개질판을 장착하는 간접내부개질(Indirect Internal Reforming), 셀 표면의 Ni 산화물이 촉매역할을 하는 OCR(On-Cell Reforming) 현상의 흡열반응을 이용하여 연료를 셀표면에서 직접 개질시키는 직접내부개질(Direct Internal Reforming) 방법이 주로 사용되고 있다

그런데, 간접내부개질의 경우 개질판에 들어가는 개질 촉매의 수명과 비용면에서 문제가 있고, 개질판 자체가 스택구조에 미치는 영향이 커서 스택의 최전 설계에 방해가 된다.

또한, 직접내부개질의 경우 별도의 촉매나 구조물이 추가되지 않아도 되는 장점이 있는 반면, 개질 반응을 제어할 수 있는 방법이 제약적이어서, 도 2의 그래프에 나타난 바와 같이, 스택 전체적인 평균온도는 떨어뜨릴 수 있을지 모르지만 스택 내부의 온도편차를 더 크게 일으키기도 한다.

따라서, 스택 내부의 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 유입시키는 연료공급홀과 상기 연료가 이동되는 통로인 연료 채널부가 구비된 분리판 및 상기 연료 채널부를 따라 위치하되, 그 일단이 상기 연료공급홀에 위치하는 적어도 하나의 마이크로 파이프를 포함하여, 스택 내부의 온도를 균일하게 하는 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 측면으로서 본 발명은, 스택 내부로 연료를 유입시키는 연료공급홀과 상기 연료가 이동되는 통로인 연료 채널부가 구비된 분리판 및 상기 연료 채널부를 따라 위치하되, 그 일단이 상기 연료공급홀에 위치하는 적어도 하나의 마이크로 파이프를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.

바람직하게는, 상기 마이크로 파이프는, 스택 내부의 온도를 균일하게 하도록, 길이 또는 개수가 조절되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

더 바람직하게는, 상기 마이크로 파이프는, 상기 연료 채널부 사이에 수용되도록, 지름이 연료 채널부의 깊이 및 너비보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 마이크로 파이프의 타단으로부터 공급되는 연료가 연료극 물질과 흡열 반응하여 냉각 효과가 발생하고, 이에 따라 스택의 수평방향 온도편차를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 마이크로 파이프가 연료전지 스택의 각 단위전지에 제공되되, 스택 내부의 온도가 균일하게 되도록 조절되어, 스택의 수직방향 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 개략도
도 4는 본 발명에 따른 분리판 내부의 온도 분포를 나타내는 그래프
도 5는 본 발명에 따른 분리판의 다른 실시예를 도시한 개략도
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 분리판을 도시한 사시도
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 스택을 상세하게 설명한다.

도 3에서 본 발명에 따른 연료전지 스택의 분리판(10)을 개략적으로 나타내고, 도 4의 그래프는 본 발명에 따른 분리판(10) 내부의 온도 분포를 나타내며, 도 5에서 도 3에 도시된 분리판(10)을 입체적으로 나타낸다.

먼저, 본 발명에 따른 연료전지 스택은, 스택(100) 내부로 연료를 공급토록 연료공급홀(12)이 하나 이상 구비된 분리판(10) 및 상기 연료공급홀(12)에 더하여, 상기 분리판(10)의 적어도 일부분에 연료 공급이 가능하여, 분리판(10) 내부의 온도를 균일하도록 하는 보조 연료공급수단(20)을 포함하여 구성된다.

상기에서 설명한 종래기술에서는, 연료공급홀만을 통해 연료가 스택 내부에 공급된다. 그런데, 연료(메탄)와 연료극 물질(니켈)의 흡연반응속도가 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 공급되도록 하여, 분리판 내부의 온도편차를 감소시키고자 하는 것이다.

구체적으로, 본 발명의 상기 보조 연료공급수단(20)은, 적어도 하나 이상의 마이크로 파이프(22)를 포함하고, 상기 마이크로 파이프(22)는, 일단은 상기 연료공급홀(12)에 연결되고, 타단은 고온영역(P)에 배치시키는 것을 특징으로 한다.

즉, 연료공급홀(12)에 공급되는 연료의 일부가 마이크로 파이프(22)를 통해 고온영역(P)에 공급되도록 한다. 이에 따라, 연료와 연료극 물질의 개질반응이 고온영역(P)에서도 일어나게 된다.

그리고, 상기 개질반응은 흡열반응이므로 고온영역(P)에서 냉각효과가 발생하여, 고온영역(P)의 온도가 낮아진다. 따라서, 분리판(10) 내부의 온도편차가 감소하게 된다.

여기서, 고온영역(P)이란 낮출 필요가 있다고 판단되는 기준온도 이상인 분리판(10) 내부의 특정 부분을 의미한다. 도 3에서 고온영역(P)의 테두리 부분에서의 온도가 상기 기준온도이고, 고온영역(P) 내의 온도는 상기 기준온도보다 높은 부분이다. 또한, 상기 고온영역(P)은 도 2를 참조하면, 분리판(10) 내부에서 온도가 최고인 부분을 포함하는 영역이다.

이와 같이, 보조 연료공급수단(20)에 의해 고온영역(P)을 냉각시킨 결과가 도 4의 그래프에 나타나 있다.

즉, 도 2의 그래프에서 분리판(10) 내부의 최고 온도 부분을 포함한 부분에서 연료와 연료극 물질이 흡열반응하여 냉각이 일어나고, 이러한 부분에서 도 4와 같이 온도가 낮아지게 되어, 분리판(10) 내부의 온도편차가 감소되는 효과가 있다.

구체적으로, 마이크로 파이프(22)의 타단은 고온영역(P) 중에서 최고 온도 부분에 약간 못 미치는 부분에 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 고온영역(P) 중 최고 온도 부분을 냉각시키기 위해, 최고 온도 부분에 바로 배치하는 것보다 약간 전의 위치에 배치시켜야, 마이크로 파이프(22)를 통해 공급된 연료가 유동하면서 반응하여 최고 온도 부분을 냉각시키게 될 것이다.

또한, 본 발명의 상기 마이크로 파이프(22)는, 상기 고온영역(P)의 조건에 대응되도록, 길이 또는 개수가 조절되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

즉, 고온영역(P)의 크기나 모양에 따라 마이크로 파이프(22)의 길이를 조절하는 것이 바람직하다. 이와 같이 고온영역(P)의 형태에 따라 마이크로 파이프(22)의 길이가 조절된 예가 도 5에 도시되어 있다.

구체적으로, 분리판(10) 내부의 고온영역(P)이 반드시 도 3의 형태로 형성되지 않고, 여러 요인들에 의해서 다양한 형태가 될 수 있다.

이러한 고온영역(P)의 형태는 분리판(10) 내부의 온도를 측정함으로써 알 수 있다. 분리판(10) 내부에 온도센서와 같은 감지수단을 설치하여, 마이크로 파이프(22)를 설치하기 전에 연료전지를 시험 가동하여 측정할 수 있다. 그리고, 측정된 온도분포에 따른 고온영역(P)의 형태에 대응하여 마이크로 파이프(22)의 길이를 조절하여 분리판(10) 내부에 설치한다.

만약, 도 5에 나타난 바와 같이 고온영역(P)의 일부분이 다른 부분보다 연료공급홀(12)에 상대적으로 가깝도록 형성되는 경우에는, 마이크로 파이프(22)도 이에 대응하여 상기 일부분에는 짧은, 다른 부분에는 긴 마이크로 파이프(22)를 설치한다.

이와 같이, 고온영역(P)의 크기나 모양에 대응되도록, 마이크로 파이프(22)를 설치함으로써 연료가 분리판(10) 내부의 고온영역(P)의 온도를 낮춰, 온도편차가 더욱 줄어드는 효과가 있다.

또한, 도 3은 본 발명의 분리판(10)을 개략적으로 도시한 것으로서, 마이크로 파이프(22)의 개수는 도시된 형태로 한정되는 것이 아님은 물론이다. 즉, 마이크로 파이프(22)로 공급되는 연료의 양과 고온영역(P)을 냉각시키기 위해 필요한 흡열량에 따라 적절하게 조정될 수 있다.

예를 들어, 마이크로 파이프(22)로 공급되는 연료의 양이 많다면, 마이크로 파이프(22)의 개수를 필요이상 설치하는 것은 부적절하다. 그리고, 고온영역(P)의 온도가 많이 높은 경우에는 냉각시키기 위해 필요한 흡열량이 많으므로 마이크로 파이프(22)를 여러 개 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 도 3을 참조하면 연료공급홀(12)을 통해 공급되는 연료의 일부가 마이크로 파이프(22)를 통해 고온영역(P)으로 공급되는 형태이다. 그러나, 도시하지는 않았으나, 마이크로 파이프(22)가 연료 공급부로부터 고온영역(P)으로 직접 연결되게 구성될 수 있다. 이 때에는, 마이크로 파이프(22)로 공급되는 연료의 양을 보다 정밀하게 조절할 수 있다.

다음, 도 6에서 본 발명에 따른 연료전지 스택의 분리판(10)을 입체적으로 도시하고 있다.

본 발명의 분리판(10)은, 연료가 유동되는 연료 채널부(14)를 더 포함하고, 상기 마이크로 파이프(22)는, 상기 연료 채널부(14) 사이에 수용되도록, 지름이 연료 채널부(14)의 깊이 및 너비보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.

즉, 분리판(10) 위에 연료극 집전체가 접촉되므로 간섭이 일어나지 않도록 마이크로 파이프(22)는 연료 채널부(14) 사이에 수용되도록 형성되되, 연료 채널부(14)의 깊이 및 너비를 고려하여 유동의 흐름을 최소화하는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 필요에 따라서는, 연료 채널부(14)의 깊이를 더 깊게 가공하여 마이크로 파이프(22)를 넣는다.

또한, 도시하지는 않았으나 연료극 집전체로 다공성 미디어(porous media)를 사용하는 경우에는, 마이크로 파이프를 연료극 집전체 속에 넣어서도 사용이 가능하다.

다음, 도 7은 본 발명의 연료공급수단(20)이 설치된 연료전지 스택(100)을 나타낸다. 도 7에서 막전극조립체와 공기극 분리판의 도시는 생략하였다.

본 발명의 보조 연료공급수단(20)은, 연료전지 스택(100) 전체의 내부 온도를 균일하게 하도록, 상기 스택(100)의 각 단위전지(110)에 제공되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 설명한 내용은 하나의 단위전지(110) 내부에서의 온도편차를 감소시키는 기술에 관한 것이다. 그런데, 이는 스택(100) 전체에 적용이 가능하다.

즉, 스택(100)은 수평방향뿐만 아니라 수직방향으로도 온도편차가 발생할 수 있다. 여기서, 수평방향은 단위전지(110) 평면상의 방향을 의미하고, 수직방향은 단위전지(110)의 적층방향을 의미한다.

구체적으로, 스택(100)의 각 단위전지(110)에 공급되는 연료의 양에 미차가 발생하거나, 상기에서 설명한 바와 같이 단위전지(110) 구체적으로 분리판 내부의 온도 분포가 동일하지 않은 경우에, 단위전지(110)들 간에 온도 차이가 발생한다. 즉, 스택(100)에 수직방향으로 온도편차가 발생한다.

상기에서 설명한 보조 연료공급수단(20)을 각 단위전지(110)에 수직방향 온도편차에 따라 적절하게 조절하여 배치시킴으로써, 스택(100)의 수직방향 온도편차를 감소시킨다. 구체적인 내용은 상기에서 설명한 내용과 동일하다.

따라서, 스택 내부의 온도편차를 보다 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 12 ... 연료공급홀
14 ... 연료 채널부 20 ... 보조 연료공급수단
22 ... 마이크로 파이프 100 ... 스택
110 ... 단위전지 P ... 고온영역

Claims (3)

1. 삭제
2. 스택(100) 내부로 연료를 유입시키는 연료공급홀(12)과 상기 연료가 이동되는 통로인 연료 채널부(14)가 구비된 분리판(10); 및
   상기 연료 채널부(14)를 따라 위치하되, 그 일단이 상기 연료공급홀(12)에 위치하는 적어도 하나의 마이크로 파이프(22);
   를 포함하며,
   상기 마이크로 파이프(22)는, 스택(100) 내부의 온도를 균일하게 하도록, 길이 또는 개수가 조절되어 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 마이크로 파이프(22)는, 상기 연료 채널부(14) 사이에 수용되도록, 지름이 연료 채널부의 깊이 및 너비보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.

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