KR101309895B1 - 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 단위전지에 구비되는 분리판 및 상기 분리판에 상기 단위전지의 전류밀도 및 온도를 감지토록 제공되는 연료전지 상태측정수단을 포함하여 구성된 연료전지 스택에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면 연료전지 상태측정수단을 실제 사용중인 연료전지 스택에 적용하여, 감지된 단위전지의 전류밀도 및 온도로부터 단위전지 구성의 적합성 및 연료전지의 작동상태를 판단할 수 있는 효과가 있다.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 단위전지에 구비되는 분리판 및 상기 분리판에, 상기 단위전지의 전류밀도 및 온도를 감지토록 제공되는 연료전지 상태측정수단을 포함하고, 이를 실제 사용중인 연료전지 스택에 적용하여 단위전지 구성의 적합성 및 연료전지의 작동상태를 판단할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.

과거 수세기 동안 에너지에 대한 수요는 기하급수적으로 증가하여 왔다. 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라, 많은 다양한 에너지원이 탐사되고 개발되어 왔다.

탄화수소의 연소는 기초적인 에너지원 중 하나이나, 탄화수소의 연소시 생성되는 오염물질로 인해, 최근에는 청정 에너지원에 대한 요구가 증가함에 따라, 연료전지에 대한 연구가 증가하고 있다.

연료전지는 수소 및 산소를 전기 및 열로 전환시키는 전기화학적 에너지 전환을 이용한다. 연료전지는 배터리와 비슷하지만, 전력을 공급하면서도 충전될 수 있다. 많은 경우, 연료전지는 휴대용 전력 공급원으로서 1차 및 2차 배터리를 대체할 것으로 기대되고 있다.

그런데, 연료전지 시스템이 안정적으로 구축되기 위해서는 셀과 집전체 간의 접촉 균일성에 대한 실시간 분석과 해체 분석 시 접촉 상태에 대한 육안 분석 결과를 입증할 검증 방법이 필요하다.

또한, 스택의 작동온도에서 구성요소가 설계대로 구성되었는지 확인할 방법이 필요하고, 실제 상황을 반영하기 위해 실제 분리판 구조에서 전류밀도 분포를 측정할 수 있어야 한다.

그러나, 종래에는 실제 분리판 구조에서 전류밀도 분포를 측정한 사례는 없고, 최근 소개되고 있는 전류밀도 분포측정 방법도 실제 분리판 구조에 적용하기 어려운 문제가 있다.

따라서, 실제 분리판 구조에 적용이 가능하여, 작동 중 전류밀도 분포와 온도 분포를 측정할 수 있는 기술 개발이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 연료전지 스택을 구성하는 단위전지에 구비되는 분리판 및 상기 분리판에, 상기 단위전지의 전류밀도 및 온도를 감지토록 제공되는 연료전지 상태측정수단을 포함하여 구성된 연료전지 스택을 제공한다.

또한, 상기 연료전지 상태측정수단은, 상기 스택의 전류밀도 및 온도를 감지토록, 스택에 일정 간격을 두고 단위전지에 설치되는 연료전지 스택을 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 측면으로서 본 발명은, 연료전지 스택의 단위전지에 구비되는 분리판 및 상기 분리판에, 상기 단위전지의 전류밀도 및 온도를 감지토록 제공되는 연료전지 상태측정수단을 포함하고, 상기 연료전지 상태측정수단은, 상기 분리판에 적어도 하나 이상 구비되되, 상기 단위전지를 전체적으로를 감지토록 균일하게 배치되고, 상기 연료전지 상태측정수단은, 상기 분리판에서 유체의 유동이 원활토록, 분리판에 마련된 채널부의 돌출부 일부를 대체하여 구성하되, 돌출부와 높이가 동일하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

삭제

삭제

더 바람직하게는, 상기 연료전지 상태측정수단은, 상기 분리판에 삽입 설치되는 와이어 프로브 형태인 것을 특징으로 한다.

더 바람직하게는, 상기 연료전지 상태측정수단은, 상기 스택의 전류밀도 및 온도를 감지토록, 스택에 일정 간격을 두고 단위전지(10)에 설치되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 연료전지 스택의 단위전지에 구비되는 분리판 및 상기 분리판에 제공되는 연료전지 상태측정수단을 포함하여, 상기 단위전지의 전류밀도 및 온도를 감지할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 상기 연료전지 상태측정수단을 스택에 일정 간격을 두고 단위전지에 설치하여, 스택의 전류밀도 및 온도를 감지하여 연료전지 전체의 작동상태를 알 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 연료전지 상태측정수단을 실제 사용중인 연료전지 스택에 적용하여, 감지된 단위전지의 전류밀도 및 온도로부터 단위전지 구성의 적합성을 판단할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 연료전지 및 스택의 구조를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명의 연료전지 상태측정수단이 구비된 분리판을 도시한 사시도
도 3은 상기 도 2의 분리판을 하방에서 도시한 사시도
도 4는 상기 도 2의 분리판을 일정간격으로 구비한 본 발명에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도

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

도 1에서 일반적인 연료전지(1) 및 스택(100)의 구조를 나타낸다.

일반적인 연료전지(1)는 크게 전기를 생성하는 스택(100), 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 스택으로 산화제(공기)를 공급하는 산화제 공급부로 이루어진다.

여기서, 스택(100)은 셀(40)와 분리판(20)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어지며, 셀(40)은 연료극과 공기극 사이에 전해질이 중첩된 구조이다.

상기 셀(40)은 연료의 산화 및 환원제의 환원반응을 통해 전기를 생성한다.

이 때, 연료전지 셀(40)의 음극(또는 공기극, cathode) 부분과 분리판(20)이 접촉되는 집전면적(cathode area)을 전체적으로 활용하여야 그만큼 연료전지(1)의 효율이 높아진다.

그런데, 연료전지 셀(40)은 세라믹소재이므로 표면조도(또는 표면거칠기, surface roughness)가 존재하여 표면이 일정하지 못하다. 또한, 분리판(20) 역시 에칭, 가공 또는 성형에 의해 유로를 형성하면서 공차가 존재하게 된다.

또한, 연료전지의 셀(40), 밀봉재, 집전체, 분리판(20)의 적층구조상, 집전면적을 적체적으로 활용 못할 수 있다.

따라서, 실제 사용중의 연료전지 셀(40)의 음극 부분이 전체적으로 균일하게 분리판(20)과 접촉하는지 여부를 알아야 필요성이 있다. 그런데, 종래기술에서는 실제 사용중의 연료전지 분리판(20)에 적용하기 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로서, 실제 사용중의 연료전지 분리판(20)에 설치하여 전류밀도분포 및 온도분포 등을 측정할 수 있는 연료전지 스택(100)에 관한 것이다.

도 2는 본 발명의 연료전지 상태측정수단이 구비된 분리판(20)의 상방에서의 사시도이고, 도 3은 상기 도2의 분리판(20)을 하방에서 도시한 사시도이다. 이하, 상기 상태측정수단이 구비된 분리판(20)은 음극(공기극) 분리판을 의미한다.

본 발명에 따른 연료전지 스택은, 연료전지 스택을 구성하는 단위전지(10)에 구비되는 분리판(20) 및 상기 분리판(20)에, 상기 단위전지(10)의 전류밀도 및 온도를 감지토록 제공되는 연료전지 상태측정수단을 포함하여 구성된다.

즉, 연료전지가 작동중인 경우 분리판(20)에 설치된 연료전지 상태측정수단에 의해 단위전지(10)의 전류밀도 및 온도를 실시간으로 감지된다. 그리고, 감지된 단위전지(10)의 전류밀도 및 온도를 통해 셀(40)의 음극 부분과 분리판(20)의 접촉이 전체적으로 이루어지고 있는지 판단 가능하다.

또한, 상기 감지된 결과에 따라, 단위전지(10)의 구성이 적합하게 구성되었는지, 또는 설계대로 작동되고 있는지를 판단할 수 있다. 예를 들어, 셀(40)의 일부가 파손되는 경우, 연료와 공기가 반응하여 온도가 급상승하게 되고, 이를 상기 연료전지 상태측정수단을 통해 알게 된다.

여기서, 연료전지 상태측정수단은 단위전지(10) 내부의 다양한 정보를 감지할 수 있는 감지수단으로서, 감지하려는 정보에 대응하여 사용 가능하다.

다만, 본 발명의 상기 연료전지 상태측정수단은, 상기 분리판(20)에 삽입 설치되는 와이어형 프로브인 것으로 한다. 이하, 본 발명의 연료전지 상태측정수단은 상기 프로브를 의미한다. 상기 프로브는 도 2 및 3에서 도면부호 30에 해당하는 구성이다.

구체적으로, 상기 연료전지 상태측정수단은, 상기 분리판(20)에 적어도 하나 이상 구비되되, 상기 단위전지(10)를 전체적으로 감지토록 균일하게 배치되는 것을 특징으로 한다.

연료전지의 효율을 높이기 위해서는 단위전지(10)의 집전면적이 전체적으로 고르게 사용되어야 한다. 따라서, 상기 집전면적이 전체적으로 사용되고 있는지를 알기 위해서는 프로브(30)가 분리판(20)에 복수로 설치되어야 효과적이다. 또한, 전체 사용여부를 알기 위해 집전면적에 고르게 설치하는 것이 바람직하다.

도 2에서 프로브(30)가 분리판(20)의 집전부분에 균일하게 설치된 것이 나타나 있다. 구체적으로, 채널부(50)의 돌출부(52)에서 셀(40)의 음극 부분과 접촉한다. 상기 프로브(30)는 집전부분의 전류밀도 및 온도를 전체적으로 측정하기 위해, 채널부(50)의 전방위 및 중앙부분에 적절한 간격을 두고 설치된다.

프로브(30)의 설치 위치나 개수는 도 2의 형태에 한정되지 않음은 물론이다. 예를 들어, 현재 많이 사용되고 있는 100cm², 400 cm², 700 cm²의 크기에 따라 프로브(30)의 설치 개수를 증대시킬 수 있다. 또한, 같은 크기의 단위전지(10) 내에서도 중요한 부분이라고 판단되는 위치에 프로브(30)를 배치시킬 수도 있다.

다만 본 발명에서 상기 연료전지 상태측정수단(30)은, 상기 분리판(20)에서 유체의 유동이 원활토록, 분리판의 일부 구성으로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 유체는 산화제로 사용되는 공기 또는 산소를 의미한다.

본 발명은 실제 사용중인 단위전지(10)의 전류밀도분포 및 온도분포를 측정하는 것을 목적으로 한다. 그러므로, 분리판(20)에 프로브(30)를 설치하더라도 연료전지 사용에 영향을 미치지 않아야 한다.

다시 말해, 분리판(20) 내부 즉, 채널부(50)에서의 유체의 유동은 프로브(30)에 의해 방해를 받아서는 안될 것이다.

따라서, 프로브(30)는 적어도 유체의 유동방향과 동일방향으로 형성되는 것이 바람직할 것이다.

도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 유체는 분리판 채널부(50)의 홈부(54)를 따라 흐른다. 그러므로, 프로브(30)는 유체의 유동을 방해하지 않도록, 상기 홈부(54)에 위치하지 않고, 채널부(50)의 돌출부(52)에 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 프로브(30)가 돌출부(52)의 일부분을 대신하여 구성된다. 다시 말해, 본 발명의 프로브(30)는 기존 돌출부(52)의 일부 구성으로 형성된다.

또한, 프로브(30)의 형태는 필요에 따라 다양한 형상으로 제작할 수 있음은 물론이나, 상기 돌출부(52)와 일치하도록 형성되는 것이 더 바람직하다. 이 경우, 연료전지의 다른 분리판과 동일하므로 실제 연료전지에 사용 가능하다.

즉, 실사용중인 연료전지에 본 발명의 프로브(30)가 설치된 분리판(20)과 설치되지 않은 분리판을 사용하더라도 분리판들은 동일한 형태이므로, 측정된 전류밀도분포 및 온도분포는 신뢰성이 높다.

도 2및 3을 참조하여 프로브(30)의 형태를 보다 상세하게 설명하면, 프로브(30)는 돌출부(52)의 길이방향으로 긴 형태로 형성된다. 그리고, 프로브(30)의 양단은 분리판(20)에 형성된 구멍과 홈을 통해 외부로 연결된다. 상기 프로브(30)의 양단은 양극(또는 연료극) 분리판(22)과 전기적으로 연결된다. 전기적 연결상태의 도시는 생략하였다.

즉, 연료전지가 가동하여 전류가 흐르게 되면, 동일한 전류가 프로브(30)에 의해 측정되게 된다. 이에 따라, 측정된 전류의 I-V 커브와 임피던스를 통해 해당 프로브(30)가 위치한 집전부분에서의 전류밀도 및 온도를 측정할 수 있다.

각 프로브(30)에서 동일 방법으로 위치별로 전류밀도 및 온도를 측정하여, 실사용중인 단위전지 분리판(20)의 전체적인 전류밀도분포 및 온도분포를 알 수 있다.

다음, 도 4에서 상기 도 2의 분리판(20)을 일정간격으로 구비한 본 발명에 따른 연료전지 스택을 나타낸다. 즉, 본 발명의 프로브(30)가 연료전지 스택 전체에 적용된 예를 보여준다.

본 발명의 상기 연료전지 상태측정수단은, 상기 스택의 전류밀도 및 온도를 감지토록, 스택에 일정 간격을 두고 단위전지(10)(10)에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 도 2 및 3에 대한 설명은 단위전지(10)에 대한 것이다. 도 4는 이를 바탕으로 연료전지 스택에 적용시킨 것이다.

실제의 연료전지 스택은 다수의 단위전지(10)가 적층되어 이루어진다. 따라서, 실사용중인 연료전지 스택의 작동상태를 파악하기 위하여, 전체적인 전류밀도분포와 온도분포를 측정하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 스택의 적층방향으로 일정 간격으로 단위전지(10)에 설치된다. 예를 들어, 5장의 단위전지(10)마다 1장씩에 본 발명의 프로브(30)를 설치하여 연료전지 스택 전체의 상황을 보다 정확히 측정한다.

정리하면, 본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 연료전지 스택의 단위전지에 구비되는 분리판 및 상기 분리판에, 상기 단위전지의 전류밀도 및 온도를 감지토록 제공되는 연료전지 상태측정수단을 포함하고, 이를 실제 사용중인 연료전지 스택에 적용하여 단위전지 구성의 적합성 및 연료전지의 작동상태을 판단할 수 있는 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 ... 단위전지 20 ... 음극(공기극) 분리판
22 ... 양극(연료극) 분리판
30 ... 연료전지 상태측정수단(프로브)
40 ... 셀 50 ... 채널부
52 ... 돌출부 54 ... 홈부
100 ... 스택

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 연료전지 스택(100)을 구성하는 단위전지(10)에 구비되는 분리판(20); 및
   상기 분리판(20)에, 상기 단위전지(10)의 전류밀도 및 온도를 감지토록 제공되는 연료전지 상태측정수단(30);을 포함하고,
   상기 연료전지 상태측정수단(30)은, 상기 분리판에 적어도 하나 이상 구비되되, 상기 단위전지(10)를 전체적으로 감지토록 균일하게 배치되고,
   상기 연료전지 상태측정수단(30)은, 상기 분리판(20)에서 유체의 유동이 원활토록, 분리판에 마련된 채널부(50)의 돌출부(52) 일부를 대체하여 구성하되, 돌출부와 높이가 동일하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 연료전지 상태측정수단(30)은, 상기 분리판(20)에 삽입 설치되는 와이어형 프로브인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
   
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 연료전지 상태측정수단(30)은, 상기 스택(100)의 전류밀도 및 온도를 감지토록, 스택에 일정 간격을 두고 단위전지(10)에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.

Images