KR101265216B1 - 전기 생성 유닛 및 연료 전지 스택 - Google Patents

전기 생성 유닛 및 연료 전지 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR101265216B1
KR101265216B1 KR1020110090369A KR20110090369A KR101265216B1 KR 101265216 B1 KR101265216 B1 KR 101265216B1 KR 1020110090369 A KR1020110090369 A KR 1020110090369A KR 20110090369 A KR20110090369 A KR 20110090369A KR 101265216 B1 KR101265216 B1 KR 101265216B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thermal conductivity
separator
thermally conductive
heat conducting
conducting material
Prior art date
Application number
KR1020110090369A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130026913A (ko
Inventor
이진화
김태윤
채근석
조성용
김희탁
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020110090369A priority Critical patent/KR101265216B1/ko
Priority to US13/586,817 priority patent/US9413026B2/en
Publication of KR20130026913A publication Critical patent/KR20130026913A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101265216B1 publication Critical patent/KR101265216B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전기 생성 유닛은, 전류를 생산하는 막-전극 접합체 및 막-전극 접합체에 결합되어 연료 및 산화제를 공급하는 한 쌍의 세퍼레이터를 포함하고, 한 쌍의 세퍼레이터는, 제1 부분과 제2 부분을 포함하며, 제1 부분 및 상기 제2 부분 중 어느 하나에 결합되는 하나 이상의 열전도 물질들로 구성된 열전도 물질부를 포함한다.

Description

전기 생성 유닛 및 연료 전지 스택 {ELECTRICITY GENERATION UNIT AND FUEL CELL STACK}
본 발명은 전기 생성 유닛 및 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있는 구성을 포함하는 전기 생성 유닛 및 연료 전지 스택에 관한 것이다.
전기 생성 유닛은 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체에 결합되는 세퍼레이터('바이폴라 플레이트'라고도 한다)를 포함한다.
여기서, 막-전극 접합체는 전해질막과, 전해질막의 일 측에 위치하는 애노드 전극과, 전해질막의 타 측에 위치하는 캐소드 전극을 포함한다. 세퍼레이터는 애노드 전극을 향한 일면에 연료 채널을 형성하여 애노드 전극에 연료를 공급하고, 캐소드 전극을 향한 일면에 산화제 채널을 형성하여 캐소드 전극에 산화제를 공급한다. 그러면 애노드 전극의 수소 산화 반응과 캐소드 전극의 산소 환원 반응에 의해 전기 에너지가 발생하며, 열과 수분이 부수적으로 발생한다.
또한, 산화제 채널과 연료 채널에 공급된 산화제 및 연료 중 산화 반응과 환원 반응에 사용되지 못한 미반응 산화제 및 미반응 연료는 산화제 채널 및 연료 채널에서 외부로 유출되게 된다. 이때, 미반응 산화제 및 미반응 연료는 산화 반응과 환원 반응에 의해 생긴 열에 의하여 산화제 채널과 연료 채널에 공급될 때 보다 높은 온도를 가지게 된다.
따라서, 미반응 산화제 및 미반응 연료가 유출되는 부분의 세페레이터의 온도는 세퍼레이터의 다른 부분보다 더 높아지게 되어 세퍼레이터 전반적으로 온도 분포가 균일하지 않은 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 연료 전지 스택은 복수의 전기 생성 유닛과 전기 생성 유닛을 가압지지하는 가압플레이트 및 가압 플레이트와 최외곽 전기 생성 유닛 사이에 설치되는 단열 부재를 포함한다.
전기 생성 유닛에서 산화 및 환원 반응에 의하여 전기가 생산 될 때, 산화 및 환원 반응에 의하여 열이 발생한다. 이때, 연료 전지 스택의 중앙 부분에 위치하는 전기 생성 유닛들에서의 온도는 단열 부재의 주위에 위치하는 전기 생성 유닛들의 온도보다 더 높을 수 있다.
따라서, 연료 전지 스택 전체적으로 온도 분포가 불균일하게 나타날 수 있다.
본 발명의 일 측면은 세퍼레이터에 서로 다른 열 전도율을 가지는 물질을 결합시켜, 세퍼레이터의 전체적인 온도 분포가 대략 균일하게 나타나는 전기 생성 유닛을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은, 복 수의 세퍼레이터들에 서로 다른 열 전도율을 가지는 물질을 각각 결합시켜 연료 전지 스택의 전체적인 온도 분포가 대략 균일하게 나타나는 연료 전지 스택을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 생성 유닛은, 전류를 생산하는 막-전극 접합체 및 막-전극 접합체에 결합되고 제1 부분과 제2 부분을 포함하는 세퍼레이터와 제1 부분 및 상기 제2 부분 중 어느 하나에 결합되는 하나 이상의 열전도 물질들로 구성된 열전도 물질부를 포함한다.
또한, 한 쌍의 세퍼레이터는 연료 유입구와 연료 유출구가 형성되는 제1 세퍼레이터와, 산화제 유입구와 산화제 유출구가 형성되는 제2 세퍼레이터를 포함하고, 제1 부분은 연료 유출구 및 산화제 유출구가 형성된 부분이고, 제2 부분은 연료 유입구 및 산화제 유출구가 형성된 부분일 수 있다.
또한, 열 전도 물질부는 세퍼레이터의 열 전도율 보다 더 작은 열 전도율을 가지는 하나 이상의 제1 열 전도 물질을 포함할 수 있고, 제1 열 전도 물질은 제1부분에 코팅될 수 있다.
또한, 열 전도 물질부는 세퍼레이터의 열 전도율 보다 더 작은 열 전도율을 가지는 하나 이상의제1 열 전도 물질을 포함할 수 있고, 제1 열 전도 물질은 제1 부분을 형성하는 구성 중 하나로 포함될 수 있다.
또한, 열 전도 물질부는 세퍼레이터의 열 전도율 보다 더 큰 열 전도율을 가지는 하나 이상의 제2 열전도 물질을 포함할 수 있으며, 제2 열 전도 물질은 제2 부분에 코팅될 수 있다.
또한, 열 전도 물질부는 세퍼레이터의 열 전도율보다 더 큰 열 전도율을 가지는 하나 이상의 제2 열전도 물질을 포함할 수 있으며, 제2 열 전도 물질은 제2 부분을 형성하는 구성 중 하나로 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 전류를 생산하는 막-전극 접합체의 양측에 밀착되게 배치되는 복 수의 세퍼레이터를 포함하는 복수의 전기 생성 유닛, 전기 생성 유닛들을 가압 지지하는 가압플레이트 및 세퍼레이터에 결합되는 서로 다른 열 전도율을 가진 물질들을 포함하는 열 전도 물질부를 포함한다.
또한, 열 전도 물질부는 세퍼레이터의 열 전도율 보다 더 작은 전도율을 가지는 하나 이상의 제1 열 전도 물질을 포함될 수 있다.
또한, 제1 열 전도 물질은 연료 전지 스택의 중앙 부분에 인접하여 설치되는 세퍼레이터들에 코팅될 수 있다.
또한, 제1 열 전도 물질은 연료 전지 스택의 중앙 부분에 인접하여 설치되는 세퍼레이터들을 형성하는 구성 중 하나로 포함될 수 있다.
또한, 열 전도 물질부는 세퍼레이터의 열 전도율 보다 더 큰 전도율을 가지는 하나 이상의 제2 열 전도 물질을 포함할 수 있다.
또한, 제2 열 전도 물질은 연료 전지 스택의 가장 자리 부분에 인접하여 설치되는 세퍼레이터들에 코팅될 수 있다.
또한, 제2 열 전도 물질은 연료 전지 스택의 가장 자리 부분에 인접하여 설치되는 세퍼레이터들을 형성하는 구성 중 하나로 포함될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 생성 유닛의 세퍼레이터의 전체적인 온도 분포가 대략 균일하게 될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료 전지 스택의 전체적인 온도 분포가 대략 균일하게 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기 생성 유닛의 분해 사시도 이다.
도 2는 도1의 전기 생성 유닛의 평면도이다.
도 3은 도 2의 III-III선을 따라 잘라본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 다른 변형예에 따른 전기 생성 유닛의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기 생성 유닛의 평면도이다..
도 6은 도 5의 VI-VI선을 따라 잘라본 의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예의 다른 변형예에 따른 전기 생성 유닛의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 9는 도 8의 연료 전지 스택의 계략적인 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기 생성 유닛의 분해 사시도 이다.
도 1을 참고하여 설명하면, 본 발명의 전기 생성 유닛은 막-전극 접합체(10)와 막-전극 접합체(10)의 양측에 밀착되게 설치되는 한 쌍의 세퍼레이터(20, 30)를 포함한다.
막-전극 접합체(10)는 전해질막(11)과 전해질막(11)의 일면에 접하는 캐소드 전극(12) 및 캐소드 전극(12)의 반대측에서 전해질막(11)의 다른 일면에 접하는 애노드 전극(13)을 포함할 수 있다.
또한, 한 쌍의 세퍼레이터(20, 30)는 캐소드 전극(12)에 밀착되게 배치되는 제1 세퍼레이터(20)(이하 캐소드 측 세퍼레이터라 한다)와 애노드 전극(13)에 밀착되게 배치되는 제2 세퍼레이터(30)(이하 애노드 측 세퍼레이터라 한다)를 포함할 수 있다.
보다 상세하게는, 캐소드 측 세퍼레이터(20)의 가장자리에는 산화제 유입구 (22) 및 산화제 유출구 (23)가 형성될 수 있다. 또한, 세퍼레이터(20)에는 산화제 유입구(22) 및 산화제 유출구(23)와 연결되는 오목한 홈으로 이루어진 산화제 채널(21)이 형성될 수 있다. 따라서, 산화제 유입구(22)로 유입된 산화제는 산화제 채널(21)를 통과하여 산화제 유출구(23)로 배출될 수 있다.
또한, 애노드 측 세퍼레이터(30)의 가장자리에는 연료 유입구 (32) 및 연료 유출구(33)가 형성될 수 있다. 여기서, 연료 유입구(32)와 연료 유출구(33)는 오목한 홈으로 이루어진 연료 채널(미도시)로 연결되어, 연료 유입구(32)로 유입된 연료는 연료 채널을 통과하여 연료 유출구(33)로 배출될 수 있다.
도 2는 도 1의 전기 생성 유닛의 평면도이고, 도 3은 도 2의 III-III선을 따라 잘라본 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참고하여 설명하면, 본 발명의 캐소드 측 세퍼레이터(20)는 산화제 유출구(23) 부분에 형성되는 제1 부분(24)과 산화제 유입구(22) 부분에 형성되는 제2 부분(25)을 포함할 수 있다. 또한, 애노드 측 세퍼레이터(30)는 연료 유출구(33) 부분에 형성되는 제1 부분(34)과 산화제 유입구(32) 부분에 형성되는 제2 부분(35)을 포함할 수 있다.
캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)에는 캐소드 전극(12) 및 애노드 전극(13)을 향한 일면에 각 각 산화제 채널(21) 및 연료 채널(31)이 형성되어 산화제 유입구(22) 및 연료 유입구(32)를 통하여 캐소드 전극(12) 및 애노드 전극(13)에 각각 산화제 및 연료를 공급 할 수 있다.
캐소드 전극(12)은 산화제 유입구(22)를 통하여 산화제 채널(21)에 공급된 산화제를 환원 반응에 의해 산소가 전자와 산소 이온으로 변환되게 하는 촉매층(121)과 촉매층(121)의 외면에 접하여 전자와 산소 이온의 이동을 원활하게 하는 가스 확산층(122)을 포함한다. 또한, 애노드 전극(13)은 산화 반응에 의해 연료 중의 수소를 전자와 수소 이온으로 변환 시키는 촉매층(131)과 촉매층의 외면에 접하며 전자와 수소 이온의 이동을 원활하게 하는 가스 확산층(132)을 포함한다.
여기서, 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)은 일측에 위치하는 막-전극 접합체(10)의 캐소드 전극(12)과 타측에 위치하는 막-전극 접합체(10)의 애노드 전극(13)을 직렬로 연결하는 전도체로 기능을 할 수 있다.
또한, 산화제 유출구(23)와 연료 유출구(33) 부분에 형성되는 제1 부분(24, 34) 및 산화제 유입구(22)와 연료 유입구(32) 부분에 형성되는 제2 부분(25, 35)중 어느 하나의 부분에는 세퍼레이터의 열 전도율(대략 20W/(mㆍK))과 다른 열 전도율을 가지는 하나 이상의 열 전도 물질로 구성된 열 전도 물질부(241, 341)가 결합될 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 산화제 유출구(23)와 연료 유출구(33) 부분에 형성되는 제1 부분(24, 34) 중 어느 한 곳에 열 전도 물질부(241, 341)가 결합되는 것도 가능하다.
이하에서는 본 실시예에 따른 열 전도 물질부(241, 341)를 보다 상세히 설명한다.
캐소드 전극(12) 및 애노드 전극(13)에 공급된 산화제 및 연료의 일부는 전기 화학적 반응에 사용되지 못하고, 산화제 유출구(23) 및 연료 유출구(33)를 통하여 전기 생성 유닛의 외부로 배출될 수 있다. 여기서, 산화제 유출구(23) 및 연료 유출구(33)를 통하여 외부로 배출되는 미반응 산화제 및 미반응 연료는 막-전극 접합체(10)에서의 전기 화학적 반응에 의해 발생된 열에 의하여 산화제 유입구(22) 및 연료 유입구(32)를 통하여 막-전극 접합체(10)로 공급된 산화제 및 연료 보다 더 높은 온도가 될 수 있다.
따라서, 제2 부분(25, 35)의 열 전도율(대략 20W/(mㆍK))보다 더 작은 열 전도율을 가진 물질이 제1 부분(24, 34)에 함침 등의 방법으로 코팅되어 결합되면, 제1 부분(24, 34)의 온도와 제2 부분(25, 35)의 온도가 대략 동일하게 되는 것이 가능하게 된다.
여기서, 제1 부분(24, 34)에 코팅될 수 있는 물질로는 폴리프로필렌(Polypropylene, 열전도율: 대략 0.1-0.22W/(mㆍK)), 폴리에틸렌(Polyethylene, 열전도율: 대략 0.42-0.51 W/(mㆍK))) 및 비닐 에스터(Vinyl ester, 열전도율: 대략 0.25 W/(mㆍK))) 등이 가능하다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 다른 변형예에 따른 전기 생성 유닛의 단면도이다.
도 4를 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전기 생성 유닛(101)은 열 전도 물질부(242, 342)를 제외하고는 제1 실시예에 따른 전기 생성 유닛(100)과 동일한 구조로 이루어 지므로 동일한 구조에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제1 부분(24, 34)은 제2 부분(25, 35)을 형성하는 구성보다 열 전도율이 낮은 하나 이상의 열 전도 물질을 포함하는 열 전도 물질부(242, 342)를 구성으로 포함할 수 있다. 즉, 제1 부분(24, 34)은 제2 부분(25, 35)의 열 전도율(대략 20W/(mㆍK))보다 더 작은 열 전도율을 가진 하나 이상의 열 전도 물질이 구성 중 하나로 포함되어 만들어 질 수 있다.
또한, 제1 부분(24, 34)과 제2 부분(25, 35)은 분리되어 각각 제작될 수 있기 때문에, 제1 부분(24, 34)과 제2 부분(25, 35)은 일체로 결합되어 본 발명의 전기 생성 유닛(101)에 사용되는 것이 가능하다.
따라서, 제1 부분(24, 34)의 열 전도율이 제2 부분(25, 35)의 열 전도율 보다 낮아 지기 때문에, 제1 부분(24, 34) 및 제2 부분(25, 35)에서의 온도 분포가 대략 동일하게 되는 것이 가능하게 된다.
여기서, 제1 부분(24, 34)을 형성하는 구성으로 포함될 수 있는 물질로는 폴리프로필렌(Polypropylene, 열전도율: 대략 0.1-0.22W/(mㆍK)), 폴리에틸렌(Polyethylene, 열전도율: 대략 0.42-0.51 W/(mㆍK))) 및 비닐 에스터(Vinyl ester, 열전도율: 대략 0.25 W/(mㆍK))) 등이 가능하다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기 생성 유닛의 평면도이고, 도6 은 도 5의 VI-VI선을 따라 잘라본 의 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전기 생성 유닛(200)은 열 전도 물질부(251, 351)를 제외하고는 제1 실시예에 따른 전기 생성 유닛(100)과 동일한 구조로 이루어 지므로 동일한 구조에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 전기 생성 유닛(200)의 제2 부분(25, 35)에는 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)의 열 전도율 보다 더 큰 열 전도율을 가지는 하나 이상의 열 전도 물질을 포함하는 열 전도 물질부(251, 351)가 함침 등의 방법으로 코팅되어 결합 될 수 있다. 이때, 본 실시예에 따른 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)들은 금속을 포함하여 형성될 수 있기 때문에, 열 전도율은 제1 실시예에서의 세퍼레이터들의 열 전도율보다 대략 수 배에서 수 십배 정도 클 수 있다
따라서, 제1 부분(24, 34)의 열 전도율 보다 더 큰 열 전도율을 가진 물질이 제2 부분(25, 35)에 함침 등의 방법으로 코팅되어 결합되면, 제1 부분(24, 34)의 온도와 제2 부분(25, 35)의 온도가 대략 동일하게 되는 것이 가능하게 된다.
여기서, 제2 부분(25, 35)에 코팅 될 수 있는 물질로는 알루미늄(Aluminum 열 전도율: 대략 250 W/(mㆍK)), 구리(Cooper, 열 전도율: 대략 401 W/(mㆍK)), 금(Gold, 열 전도율: 대략 310 W/(mㆍK)) 및 니켈(Nickel, 열 전도율: 대략 91 W/(mㆍK))등이 가능하다.
또한, 본 실시예에서는 설명되지 않았으나, 본 발명은 제2 부분(25, 35)에 코팅되는 물질보다 더 열 전도율이 작은 열 전도 물질을 제1 부분(24, 34)에 함침 등의 방법으로 코팅하여 실시되는 것도 가능하다.
즉, 본 발명의 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)의 열 전도율에 따라서 제1 부분(24, 34)에는 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)의 열 전도율보다 낮은 물질을 코팅하고, 제 제2 부분(25, 35)에는 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)의 열 전도율보다 더 큰 열 전도율을 가지는 열 전도 물질을 코팅하여 제1 부분(24, 34)과 제2 부분(25, 35)의 온도를 대략 동일하게 유지하는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예의 다른 변형예에 따른 전기 생성 유닛의 단면도이다.
도 7를 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전기 생성 유닛(201)은 열 전도 물질부(252, 352)를 제외하고는 제2 실시예에 따른 전기 생성 유닛(200)과 동일한 구조로 이루어 지므로 동일한 구조에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 전기 생성 유닛(201)의 제2 부분(25, 35)은 제1 부분(24, 34)을 형성하는 구성보다 열 전도율이 낮은 하나 이상의 열 전도 물질을 포함하는 열 전도 물질부(252, 352)를 구성으로 포함할 수 있다. 즉, 제2 부분(25, 35)은 제1 부분(24, 34)의 열 전도율보다 더 큰 열 전도율을 가진 하나 이상의 열 전도 물질이 구성 중 하나로 포함되어 만들어질 수 있다.
이때, 본 실시예에 따른 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)은 금속을 포함하여 형성될 수 있기 때문에, 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)의 열 전도율은 제1 실시예에서의 세퍼레이터들의 열 전도율보다 대략 수 배에서 수 십배 정도 클 수 있다.
또한, 제1 부분(24, 34)과 제2 부분(25, 35)은 분리되어 각각 제작될 수 있기 때문에, 제1 부분(24, 34)과 제2 부분(25, 35)은 일체로 결합되어 본 발명의 전기 생성 유닛(201)에 사용되는 것이 가능하다.
따라서, 제2 부분(25, 35)의 열 전도율이 제1 부분(24, 34)의 열 전도율 보다 더 커지기 때문에, 제1 부분(24, 34) 및 제2 부분(25, 35)에서의 온도 분포가 대략 동일하게 되는 것이 가능하게 된다.
여기서, 제2 부분(25, 35)을 포함 될 수 있는 물질로는 알루미늄(Aluminum 열 전도율: 대략 250 W/(mㆍK)), 구리(Cooper, 열 전도율: 대략 401 W/(mㆍK)), 금(Gold, 열 전도율: 대략 310 W/(mㆍK)) 및 니켈(Nickel, 열 전도율: 대략 91 W/(mㆍK))등이 가능하다.
또한, 본 실시예에서는 설명되지 않았으나, 본 발명은 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)의 열 전도율보다 더 큰 열 전도율을 가지는 구성을 포함하는 제2 부분(25, 35)과 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)의 열 전도율보다 더 작은 열전도율을 가지는 구성을 포함하여 형성되는 제1 부분(24, 34)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 부분(24, 34)과 제2 부분(25, 35)은 분리되어 각각 제작될 수 있기 때문에, 제1 부분(24, 34)과 제2 부분(25, 35)은 일체로 결합되어 본 발명의 전기 생성 유닛(101)에 사용되는 것이 가능하다.
즉, 본 발명의 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)의 열 전도율에 따라서 제1 부분(24, 34)은 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)의 열 전도율보다 낮은 물질을 포함하여 형성하고, 제2 부분(25, 35)은 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(20, 30)의 열 전도율보다 더 큰 열 전도율을 가지는 열 전도 물질을 포함하여 형성하면 제1 부분(24, 34)과 제2 부분(25, 35)의 온도를 대략 동일하게 유지하는 것도 가능하다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택의 사시도이고, 도 9는 도 8의 연료 전지 스택의 계략적인 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(300)은 복수의 전기 생성 유닛(60), 전기 생성 유닛들(60)의 최 외곽에 위치하여 전기 생성 유닛들(60) 가압 지지하는 한 쌍의 앤드 플레이트(70)를 포함한다.
전기 생성 유닛(60)은 하나 이상의 막-전극 접합체(61), 막 전극 접합체들(61) 사이에 막-전극 접합체(61)에 밀착되게 배치되어, 복수의 막-전극 접합체(61)를 서로 이격되게 배치되게 하는 복수의 캐소드 측 세퍼레이터(62) 및 애노드 측 세퍼레이터(63)를 포함한다.
연료 전지 스택(300)은 한 쌍의 엔드 플레이트(70)가 최외곽에 위치한 전기 생성 유닛들(60)에 밀착되게 배치되고, 복수의 지지대(71)와 엔드 플레이트(70)를 관통하는 볼트(72)와 같은 체결 수단에 의하여 견고하게 조립될 수 있다. 여기서, 엔드 플레이트(70)와 최 외곽에 위치한 전기 생성 유닛들(60) 사이에는 절연 부재(80)가 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 캐소드 측 세퍼레이터(62) 및 애노드 측 세퍼레이터(63)는 서로 다른 열 전도율을 가진 물질들을 포함하는 열 전도 물질부가 결합 될 수 있다.
보다 상세하게는, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(300)은, 도 9에서 볼 때, 상부 엔드 플레이트(70)에 인접하여 위치한 A영역과 하부 엔드 플레이트(70)에 인접하여 위치한 C영역 및 A영역과 C영역 사이에 위치한 B영역을 포함할 수 있다. 따라서, 전기 생성 유닛(60)에서 전기가 생성될 때 발생되는 열에 의한 온도는 A영역과 C영역 사이에 위치한 B영역에서 가장 높게 나타날 수 있다.
이때, A영역과 C영역에 위치하는 캐소드 측 세퍼레이터(62) 및 애노드 측 세퍼레이터(63)에는 세퍼레이터들(62, 63)들의 열 전도율보다 더 큰 열 전도율을 가지는 하나 이상의 열 전도 물질이 결합될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 캐소드 측 및 애노드 측 세퍼레이터들(62, 63)들은 금속을 포함하여 형성될 수 있기 때문에, 그 열 전도율은 제1 실시예에서의 세퍼레이터들(20, 30)의 열 전도율보다 대략 수 배에서 수십 배 정도 클 수 있다.
여기서, A 및 C 영역에 결합 될 수 있는 물질로는 알루미늄(Aluminum 열 전도율: 대략 250 W/(mㆍK)), 구리(Cooper, 열 전도율: 대략 401 W/(mㆍK)), 금(Gold, 열 전도율: 대략 310 W/(mㆍK)) 및 니켈(Nickel, 열 전도율: 대략 91 W/(mㆍK))등이 가능하다.
이때, 열 전도성 물질은 세퍼레이터들(62, 63)을 용융된 상태의 열 전도성 물질에 함침하여 코팅하거나, 세페레이터들(62, 63)을 제작 할 때 세퍼레이터들(62, 63)을 형성하는 구성 중 하나로 포함하여 세페러에터들(62, 63)에 결합되는 것이 가능하다.
따라서, A영역과 C영역의 캐소드 측 세퍼레이터(62) 및 애노드 측 세퍼레이터(63)에 세퍼레이터 보다 더 큰 열 전도율을 가지는 물질이 결합되면, A영역과 C영역 및 B영역의 온도 분포가 대략 동일하게 될 수 있다.
본 실시예의 다른 변형예에 따르면, B영역에 위치하는 캐소드 측 세퍼레이터(62) 및 애노드 측 세퍼레이터(63)에는 세퍼레이터들(62, 63)들의 열 전도율보다 더 작은 열 전도율을 가지는 하나 이상의 열 전도 물질이 결합될 수 있다. 여기서, 애노드 측 세퍼레이터(63)에는 세퍼레이터들(62, 63)들의 열 전도율은 제1 실시예서와 같이, 대략 250 W/(mㆍK)정도일 수 있다.
또한, 제1 부분(24, 34)에 결합될 수 있는 열 전도성 물질로는 폴리프로필렌(Polypropylene, 열전도율: 대략 0.1-0.22W/(mㆍK)), 폴리에틸렌(Polyethylene, 열전도율: 대략 0.42-0.51 W/(mㆍK))) 및 비닐 에스터(Vinyl ester, 열전도율: 대략 0.25 W/(mㆍK))) 등이 가능하다.
이때, 열 전도성 물질은 세퍼레이터들(62, 63)을 용융된 상태의 열 전도성 물질에 함침하여 B 영역의 세퍼레이터들(62, 63)들에만 코팅되거나, 세페레이터들(62, 63)을 제작 할 때 세퍼레이터들(62, 63)을 형성하는 구성 중 하나로 포함되는 것이 가능하다.
따라서, A영역과 C영역의 세퍼레이터들(62, 63)의 열 전도율이 B영역의 세퍼레이터들(62, 63)의 열 전도율 보다 낮아 지기 때문에, A, B 및 C 영역에서의 온도 분포가 대략 동일하게 되는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 실시예의 또 다른 변형예로는, A 및 C 영역에 위치하는 캐소드 측 세퍼레이터(62) 및 애노드 측 세퍼레이터(63)에는 세퍼레이터들(62, 63) 보다 더 큰 열 전도율을 가지는 물질을 결합하고, B영역에 위치하는 캐소드 측 세퍼레이터(62) 및 애노드 측 세퍼레이터(63)에는 세퍼레이터들(62, 63)들의 열 전도율보다 더 작은 열 전도율을 가지는 하나 이상의 열 전도 물질이 결합하는 것이 가능하다.
따라서, 세퍼레이터들(62, 63)의 열 전도율에 따라서, A 영역 및 C 영역에 결합되는 열 전도성 물질과 B 영역에 결합되는 열 전도성 물질의 전도율을 변화시켜 A 영역, B 영역 및 C 영역의 온도 분포가 대략 동일하게 유지되는 것도 가능하다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
막 전극 접합체: 10 세퍼레이터: 20, 30, 62, 63
제1 부분: 24, 34 제2 부분: 25, 35
열전도 물질부: 241, 242, 251, 341, 342, 351
전기 생성 유닛: 60 앤드 플레이트: 70
절연 부재: 80

Claims (13)

  1. 전류를 생산하는 막-전극 접합체;
    상기 막-전극 접합체에 결합되고 제1 부분과 제2 부분을 포함하는 세퍼레이터; 및,
    상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중 어느 하나에 결합되는 하나 이상의 열전도 물질들로 구성된 열전도 물질부를 포함하는 전기 생성 유닛.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는
    연료 유입구와 연료 유출구가 형성되는 제1 세퍼레이터와,
    산화제 유입구와 산화제 유출구가 형성되는 제2 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 제1 부분은 상기 연료 유출구 및 상기 산화제 유출구가 형성된 부분이고,
    상기 제2 부분은 상기 연료 유입구 및 상기 산화제 유출구가 형성된 부분인 전기 생성 유닛.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 열 전도 물질부는,
    상기 세퍼레이터의 열 전도율 보다 더 작은 열 전도율을 가지는 하나 이상의제1 열 전도 물질을 포함하며,
    상기 제1 열 전도 물질은 상기 제1부분에 코팅되는 전기 생성 유닛.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 열 전도 물질부는,
    상기 세퍼레이터의 열 전도율 보다 더 작은 열 전도율을 가지는 하나 이상의제1 열 전도 물질을 포함하며,
    상기 제1 열 전도 물질은 상기 제1 부분을 형성하는 구성 중 하나로 포함되는 전기 생성 유닛.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 열 전도 물질부는,
    상기 세퍼레이터의 열 전도율 보다 더 큰 열 전도율을 가지는 하나 이상의 제2 열전도 물질을 포함하며
    상기 제2 열 전도 물질은 상기 제2 부분에 코팅되는 전기 생성 유닛.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 열 전도 물질부는,
    상기 세퍼레이터의 열 전도율 보다 더 큰 열 전도율을 가지는 하나 이상의 제2 열전도 물질을 포함하며
    상기 제2 열 전도 물질은 상기 제2 부분을 형성하는 구성 중 하나로 포함되는 전기 생성 유닛.
  7. 전류를 생산하는 막-전극 접합체의 양측에 밀착되게 배치되는 복 수의 세퍼레이터를 포함하는 복수의 전기 생성 유닛;
    상기 전기 생성 유닛들을 가압 지지하는 가압플레이트; 및
    상기 세퍼레이터에 결합되는 서로 다른 열 전도율을 가진 물질들을 포함하는열 전도 물질부를 포함하는 연료 전지 스택.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 열 전도 물질부는, 상기 세퍼레이터의 열 전도율 보다 더 작은 전도율을 가지는 하나 이상의 제1 열 전도 물질을 포함하는 연료 전지 스택.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 제1 열 전도 물질은, 연료 전지 스택의 중앙 부분에 인접하여 설치되는 세퍼레이터들에 코팅되는 연료 전지 스택.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 열 전도 물질은 연료 전지 스택의 중앙 부분에 인접하여 설치되는 세퍼레이터들을 형성하는 구성 중 하나로 포함되는 연료 전지 스택.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 열 전도 물질부는
    상기 세퍼레이터의 열 전도율 보다 더 큰 전도율을 가지는 하나 이상의 제2 열 전도 물질을 포함하는 연료 전지 스택.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 열 전도 물질은, 연료 전지 스택의 가장 자리 부분에 인접하여 설치되는 세퍼레이터들에 코팅되는 연료 전지 스택.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 열 전도 물질은 연료 전지 스택의 가장 자리 부분에 인접하여 설치되는 세퍼레이터들을 형성하는 구성 중 하나로 포함되는 연료 전지 스택.
KR1020110090369A 2011-09-06 2011-09-06 전기 생성 유닛 및 연료 전지 스택 KR101265216B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110090369A KR101265216B1 (ko) 2011-09-06 2011-09-06 전기 생성 유닛 및 연료 전지 스택
US13/586,817 US9413026B2 (en) 2011-09-06 2012-08-15 Electricity generation unit and fuel cell stack

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110090369A KR101265216B1 (ko) 2011-09-06 2011-09-06 전기 생성 유닛 및 연료 전지 스택

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130026913A KR20130026913A (ko) 2013-03-14
KR101265216B1 true KR101265216B1 (ko) 2013-05-23

Family

ID=47753421

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110090369A KR101265216B1 (ko) 2011-09-06 2011-09-06 전기 생성 유닛 및 연료 전지 스택

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9413026B2 (ko)
KR (1) KR101265216B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010073564A (ja) 2008-09-19 2010-04-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池及び燃料電池用セパレータ

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3969145A (en) * 1975-07-21 1976-07-13 United Technologies Corporation Fuel cell cooling system using a non-dielectric coolant
JPH09289026A (ja) 1996-04-22 1997-11-04 Toshiba Corp 燃料電池
JP3941444B2 (ja) * 2001-09-28 2007-07-04 日産自動車株式会社 燃料電池のセパレータ
JP3626480B2 (ja) 2002-09-11 2005-03-09 本田技研工業株式会社 燃料電池
KR100599667B1 (ko) * 2004-03-23 2006-07-12 한국과학기술연구원 질화티타늄을 코팅한 금속을 이용한 연료 전지용 분리판,그 제조 방법 및 상기 분리판을 포함하는 고분자 전해질연료 전지
KR100637506B1 (ko) 2004-12-10 2006-10-23 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 스택
JP4951925B2 (ja) 2005-10-11 2012-06-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用ガスセパレータおよび燃料電池

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010073564A (ja) 2008-09-19 2010-04-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池及び燃料電池用セパレータ

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130026913A (ko) 2013-03-14
US9413026B2 (en) 2016-08-09
US20130059224A1 (en) 2013-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10297854B2 (en) Fuel cell stack
WO2007148761A1 (ja) 燃料電池
US7288334B2 (en) Fuel cell stack and method of producing the same
US10903507B2 (en) Method for producing a flow plate for a fuel cell
JP6263276B2 (ja) バイポーラプレート及び燃料電池
JP6194433B2 (ja) 固体酸化物電池スタックの封止構成及び方法
JP2007311089A (ja) 燃料電池セパレータ
JP2007066567A (ja) 燃料電池および樹脂フレーム
JP5454301B2 (ja) 燃料電池スタック
US9190691B2 (en) Fuel cell stack
US11437632B2 (en) Fuel-cell unit cell
KR20110087123A (ko) 보조유동유로를 가지는 연료전지용 분리판
JP2008084794A (ja) 燃料電池用セパレータ
KR101265216B1 (ko) 전기 생성 유닛 및 연료 전지 스택
KR20130027245A (ko) 연료 전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택
KR101542970B1 (ko) 연료 전지 스택
US8697307B2 (en) Solid oxide fuel cell stack
CN113767489A (zh) 包括可变双极板的燃料电池堆
KR102034458B1 (ko) 연료전지 스택
JP5183130B2 (ja) 燃料電池
JP5136051B2 (ja) 燃料電池
US11870108B2 (en) Fuel cell
EP4075554B1 (en) Fuel cell with a separator and fuel cell stack
KR20120131350A (ko) 고분자 전해질 연료전지용 분리판 및 이것을 이용한 고분자 연료전지
JP2004185904A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160419

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170424

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee