KR101360733B1 - 연료전지 - Google Patents

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KR101360733B1
KR101360733B1 KR1020120152258A KR20120152258A KR101360733B1 KR 101360733 B1 KR101360733 B1 KR 101360733B1 KR 1020120152258 A KR1020120152258 A KR 1020120152258A KR 20120152258 A KR20120152258 A KR 20120152258A KR 101360733 B1 KR101360733 B1 KR 101360733B1
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양충모
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주식회사 포스코
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Abstract

분리판 및 이를 포함하는 연료전지가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 분리판은 연료전지의 내측에 제공되어 입측 매니폴드로부터 공급된 연료 또는 산화제를 분리하여 출측 매니폴드로 배출하는 분리판으로, 적어도 하나의 입측 매니폴드 및 출측 매니폴드와 연계되는 평판부; 상기 평판부의 표면에 경사지게 배치되며, 다수로 분할되어 연료 또는 산화제가 통과하는 유로를 형성하는 적어도 하나의 제1다분할 유로부; 및 상기 평판부의 표면에 상기 제1다분할 유로부와 엇갈리게 배치되며, 상기 제1다분할 유로부와 교차하여 연통하도록 다수로 분할되어 상기 제1다분할 유로부를 통과하는 연료 또는 산화제의 일부가 혼합 유입되며 통과하는 유로를 형성하는 적어도 하나의 제2다분할 유로부;를 포함한다.

Description

연료전지 {FUEL CELL}
본 발명은 연료와 산화제의 반응에 의해 에너지를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 또는 산화제가 양방향으로 유입되도록 하여 연료 또는 산화제를 고르게 분배하여 발전효율을 향상시키도록 한 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전시스템으로, 예컨대 아노드(anode)측에 수소연료가 공급되고, 캐소드(cathode)에는 산화제가 주입되며, 이들의 반응시 발생하는 화학적 에너지를 이용하여 전기적 에너지로 변환한다.
이러한 연료전지는 작동온도, 전해질 종류에 따라 저온형, 고온형으로 구분할 수 있으며, 저온형은 주로 자동차 등에 사용되는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 대표적이며, 고온형은 MCFC(Molen Carbonate Fuel Cell), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 및 SOFC의 역반응을 이용한 SOEC(solid oxide electrolysis cell)이 대표적으로 사용된다.
연료전지(10)는 연료(수소)와 산화제가 지속적으로 주입되는 과정에서 연속적인 발전이 가능하며, 연료의 경우 발전효율, 경제성을 고려하여 이용률을 높여야 상업적 가치를 높일 수 있다.
종래의 연료전지(10)용 분리판(20, 30)은 연료 또는 산화제가 유동하는 유로를 제공된 평판부(22, 32)를 포함하고, 이 평판부(22, 32)에는 일측 단부에 연료 또는 산화제가 유입되는 입측 매니폴드(24, 34)가 제공되고, 입측 매니폴드(24, 34)와 대향되어 타측 단부에 연료 또는 산화제가 배출되는 출측 매니폴드(26, 36)가 제공된다.
이러한, 연료전지(10)용 분리판(20, 30)은 교번적으로 적층되며 스택 형태로 제공된다.
한편, 종래의 연료전지(10)는 분리판(20, 30)의 배치형태 등에 따라 다양한 방식으로 구분되며, 일례로 도 1에 도시된 바와 같이 연료와 산화제가 유입되는 방향이 같은 방향으로 배치되는 코-플로우(co-flow)방식과, 도 2와 같이 연료와 산화제가 유입되는 방향이 반대 방향으로 배치되는 카운트-플로우(count-flow)방식 및 도 3과 같이 연료와 산화제가 유입되는 방향이 직각으로 배치되는 크로스-플로우(cross-flow)방식이 대표적으로 사용된다.
그런데, 종래의 연료전지(10)는 분리판(20, 30)의 구조 또는 배치형태 등에 따라 연료 및 산화제의 유동 방향과 운전 조건(부하, 이용률 등)이 결정되며, 이에 따라 전기화학반응이 일어나는 부분이 정해진다.
더욱이 종래에는 분리판(20, 30)의 구조적인 제약에 따라 전기화학반응이 발생하는 부분이 한쪽으로 쏠려서 발생하며, 이에 따라 온도 구배도 한쪽으로 쏠린 형태로 발생한다.
따라서, 종래의 연료전지(10)는 스택 전체의 열응력 분포가 비대칭적으로 형성되며, 이에 따라 연료 또는 산화제의 불균일한 흐름 또는 편향적인 흐름에 의해 발전효율이 저하되고, 이와 같은 불균형이 지속됨에 따라 결국에는 스택의 열사이클 과정에서 스택의 구조적 안정성에 나쁜 영향을 주는 요인이 되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료 또는 산화제가 양방향으로 유입되도록 하여 연료 또는 산화제의 전기화학반응이 균일하게 발생하도록 하며, 이를 통해 내부의 온도 구배를 안정적으로 형성하고, 스택 전체의 열응력 분포도 안정적으로 나타나도록 개선한 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지는 연료와 산화제를 분리판을 이용하여 분리공급하여 전기화학반응에 의해 에너지를 생산하는 연료전지에 있어서, 측면 중앙부를 통해 연료의 유입 및 배출이 이루어지는 연료용 분리판; 상기 연료용 분리판의 일측면에 적층되며 상기 중앙부를 기준으로 일측을 통해 산화제의 유입 및 배출이 이루어지는 제1산화제용 분리판; 및 상기 연료용 분리판을 기준으로 대향되는 타측면에 적층되며 상기 중앙부를 기준으로 타측을 통해 산화제의 유입 및 배출이 이루어지는 제2산화제용 분리판; 을 포함한다.
여기서, 상기 연료용 분리판은 대향되는 양측면의 중앙부에 제공되는 연료유입 매니폴드와, 상기 연료유입 매니폴드와 직교하여 대향되는 양측면의 중앙부에 제공되는 연료배출 매니폴드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1산화제용 분리판은 대향되는 양측면에서 상기 연료유입 매니폴드를 기준으로 일측에 제공되는 제1산화제 유입 매니폴드와, 상기 제1산화제 유입 매니폴드와 직교하여 대향되는 양측면에서 상기 연료배출 매니폴드를 기준으로 일측에 제공되는 제1산화제 배출 매니폴드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2산화제용 분리판은 대향되는 양측면에서 상기 연료유입 매니폴드를 기준으로 타측에 제공되는 제2산화제 유입 매니폴드와, 상기 제2산화제 유입 매니폴드와 직교하여 대향되는 양측면에서 상기 연료배출 매니폴드를 기준으로 타측에 제공되는 제2산화제 배출 매니폴드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 또는 산화제가 양방향으로 유입됨에 따라 연료 또는 산화제의 전기화학반응이 대칭적으로 형성되며, 이에 따라 전기화학반응이 균일하게 발생되어 발전효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시예는 내부의 온도 구배가 전체적으로 균일하고 안정적으로 형성되며, 이에 따라 스택 전체의 열응력 분포도 안정적으로 발생되므로 발전효율의 향상이 가능하며, 설비의 내구성 증가 및 수명 증가에도 기여할 수 있다.
특히, 본 실시예는 연료 또는 산화제가 분리판의 양쪽으로부터 분할되어 공급되므로, co-flow 또는 count-flow 방식에서 나타나는 반응면적의 치우침 현상을 억제할 수 있고, 이를 통하여 실질적인 연료 이용률의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 co-flow 방식의 연료전지의 작동예시도.
도 2는 종래 기술에 따른 count-flow 방식의 연료전지의 작동예시도.
도 3은 종래 기술에 따른 cross-flow 방식의 연료전지의 작동예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급용 분리판의 평면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1산화제용 분리판의 평면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2산화제용 분리판의 평면도.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 도시한 사시도이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급용 분리판의 평면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1산화제용 분리판의 평면도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2산화제용 분리판의 평면도이다.
도 4 내지 도 7을 참고하면, 본 실시예에서 연료전지(100)는 적어도 하나의 단위 셀유닛이 적층되어 제공될 수 있다.
이러한 단위 셀유닛은 적어도 하나의 분리판을 포함하며, 분리판으로 공급되는 연료와 산화제의 산화, 환원 반응에 의해 에너지를 생산할 수 있다.
본 실시예의 연료전지(100)는, 일례로 고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)(100)를 포함할 수 있다.
이러한 연료전지(100)에 활용되는 단위 셀유닛은 공급되는 전압을 증가시키기 위해 적층되어 연결될 수 있다.
연료전지(100)는 연료와 산화제를 분리하여 공급 및 배출하기 위한 분리판 외에도 분리판에서 연료와 산화제를 구분하도록 제공되는 전해질막과, 전해질막을 기준으로 양측에 제공되는 아노드(anode) 및 캐소드(cathode) 전극을 포함한다.
보다 상세하게는, 본 실시예에서 연료전지(100)는 연료의 공급이 이루어지는 연료용 분리판(110)을 포함하며, 이 연료용 분리판(110)을 기준으로 일측면에는 제1산화제용 분리판(120)이 적층되고, 연료용 분리판(110)을 기준으로 타측면에는 제2산화제용 분리판(130)이 제공될 수 있다.
본 실시예에서 각각의 분리판(110, 120, 130)은 대략 사각형으로 제공될 수 있으나, 분리판(110, 120, 130)의 형태는 한정되지 않으며 다양한 형태로 변형될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 사각형으로 형성된 것으로 한정하여 설명한다.
본 실시예에서 제1산화제용 분리판(120)은 연료용 분리판(110)의 상부에 적층될 수 있고, 제2산화제용 분리판(130)은 연료용 분리판(110)의 하부에 적층될 수 있다.
연료용 분리판(110)은 측면 중앙부를 통해 연료의 유입 및 배출이 이루어질 수 있다.
이를 위해, 연료용 분리판(110)은 내부에 연료의 순환유로 등의 공간(113)이 구비된 연료용 분리판 본체(112)를 포함할 수 있다.
또한, 연료용 분리판 본체(112)에는 대향되는 양측면의 중앙부에 연료유입 매니폴드(114a, 114b)가 제공될 수 있다. 또한, 연료용 분리판 본체(112)에서 연료유입 매니폴드(114a, 114b)가 제공된 양측면과 직교하여 대향되는 양측면에는 중앙부에 연료배출 매니폴드(116a, 116b)가 제공될 수 있다.
이러한 연료용 분리판 본체(112)는 양측의 연료유입 매니폴드(114a, 114b)로부터 대칭으로 연료가 유입되고, 내부의 순환유로를 통과한 후 연료유입 매니폴드(114a, 114b)와 직교하여 대칭으로 제공된 연료배출 매니폴드(116a, 116b)로 배출될 수 있다.
한편, 제1산화제용 분리판(120)은 중앙부를 기준으로 일측을 통해 산화제의 유입 및 배출이 이루어질 수 있다.
여기서, 제1산화제용 분리판(120)은 내부에 산화제의 순환유로 등의 공간(123)이 구비된 제1산화제용 분리판 본체(122)를 포함할 수 있다.
제1산화제용 분리판 본체(122)는 연료용 분리판 본체(112)와 대응하는 형태로 제공될 수 있다.
또한, 제1산화제용 분리판 본체(122)에서 대향되는 양측면에서 연료유입 매니폴드(114a, 114b)를 기준으로 일측에는 제1산화제 유입 매니폴드(124a, 124b)가 제공될 수 있다.
예컨대, 본 실시예에서 제1산화제 유입 매니폴드(124a, 124b)는 연료유입 매니폴드(114a, 114b)에서 시계회전 방향에 제공될 수 있다.
또한, 제1산화제용 분리판 본체(122)에는 제1산화제 유입 매니폴드(124a, 124b)가 제공된 양측면과 직교하여 대향되는 양측면에 연료배출 매니폴드(116a, 116b)를 기준으로 일측에는 제1산화제 배출 매니폴드(126a, 126b)가 제공될 수 있다.
예컨대, 본 실시예에서 제1산화제 배출 매니폴드(126a, 126b)는 연료배출 매니폴드(116a, 116b)에서 시계회전 방향에 제공될 수 있다.
또한, 제2산화제용 분리판(130)은 중앙부를 기준으로 타측을 통해 산화제의 유입 및 배출이 이루어질 수 있다.
여기서, 제2산화제용 분리판(130)은 내부에 산화제의 순환유로 등의 공간(133)이 구비된 제2산화제용 분리판 본체(132)를 포함할 수 있다.
제2산화제용 분리판 본체(132)는 연료용 분리판 본체(112)와 대응하는 형태로 제공될 수 있다.
또한, 제2산화제용 분리판 본체(132)에서 대향되는 양측면에서 연료유입 매니폴드(114a, 114b)를 기준으로 타측에는 제2산화제 유입 매니폴드(134a, 134b)가 제공될 수 있다.
예컨대, 본 실시예에서 제2산화제 유입 매니폴드(134a, 134b)는 연료유입 매니폴드(114a, 114b)에서 반시계회전 방향에 제공될 수 있다.
또한, 제2산화제용 분리판 본체(132)에는 제2산화제 유입 매니폴드(134a, 134b)가 제공된 양측면과 직교하여 대향되는 양측면에 연료배출 매니폴드(116a, 116b)를 기준으로 타측에는 제2산화제 배출 매니폴드(136a, 136b)가 제공될 수 있다.
예컨대, 본 실시예에서 제2산화제 배출 매니폴드(136a, 136b)는 연료배출 매니폴드(116a, 116b)에서 반시계회전 방향에 제공될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 연료는 수소가스를 포함할 수 있다. 또한, 산화제는 산소가스를 포함할 수 있다.
더불어, 산소가스는 순산소가 사용되는 것도 가능하며 본 실시예에서는 산소가스를 포함하는 있는 대기, 즉 공기를 사용하는 것도 가능하다.
한편, 연료용 분리판(110)과 제1산화제용 분리판(120) 및 제2산화제용 분리판(130) 사이에 제공되는 전해질막은 연료와 산화제의 투과를 차단하며, 전자전도성은 없으나 산소이온 또는 수소이온 중 하나는 투과할 수 있다.
본 실시예에서 연료전지(100)는 원료인 수소이온 또는 산화제인 산소이온 중 어느 하나가 전해질막을 통과하며 산화, 환원반응에 의해 물(H20)을 생성하며, 이 과정에서 전자를 발생시킨다. 이러한 반응과정은 다음의 화학식 1 또는 화학식 2와 같다.
Figure 112012107245275-pat00001
Figure 112012107245275-pat00002
전술된 본 실시예의 연료전지(100)는 분리판의 양측으로부터 유입되는 연료 및 산화제에 의해 전기화학반응이 대칭적으로 발생할 수 있다. 즉, 본 실시예는 종래에 한 쪽에 치우쳐서 발생하던 전기화학반응이 대칭적으로 발생함에 따라 전체적으로는 비교적 균일하게 발생함을 알 수 있다.
이때, 연료전지(100)는 연료 및 산화제의 전기화학 반응이 대칭적으로 발생함에 따라 셀 내부로 연료 또는 산화제의 초기공급이 이루어지는 양측부에는 상대적으로 온도가 낮은 영역이 형성될 수 있으며, 이러한 영역은 편의상 콜드 스팟(cold spot; CS)으로 정의될 수 있다.
또한, 연료전지(100)는 연료 및 산화제의 공급이 양측에서 이루어지며, 배출되기 전인 중앙부분은 상대적으로 온도가 높은 영역이 형성될 수 있으며, 이러한 영역은 편의상 핫 스팟(hot spot; HS)으로 정의될 수 있다.
여기서, 연료전지(100)의 콜드 스팟(CS) 및 핫 스팟(HS)은 상대적인 개념으로, 연료 및 산화제가 양측으로 분할되어 공급됨에 따라 종래의 연료전지(10)에 비해 반응면적의 치우침 현상을 억제할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 연료전지(100)는 일측으로 유입되던 종래의 연료전지(10)에 비해 전체적으로 균일한 영역에서 전기화학반응이 일어남에 따라 실질적인 연료 이용률이 향상된다.
또한, 본 실시예의 연료전지(100)는 전체적으로 균일한 영역에서 전기화학반응이 일어남에 따라 연료전지(100)의 각 단위셀 내의 온도구배도 균일하게 발생하며, 최종적으로 연료전지(100) 전체의 열응력 분포 또한 균일하게 발생할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 연료전지(100)에 제공되는 각 매니폴드의 연결위치는 시각적인 이해를 돕기 위해 도시된 것으로, 각 매니폴드의 연결위치는 한정되지 않으며, 다양한 형태로 변형될 수 있다. 일례로 각 매니폴드는 하부를 통해 연결되는 것도 가능하다. 구체적으로는 연료유입 매니폴드(114a, 114b) 및 연료배출 매니폴드(116a, 116b)는 연료용 분리판(110)의 측면에 연계되는 것으로 설명하고 있으나, 연료유입 매니폴드(114a, 114b) 및 연료배출 매니폴드(116a, 116b)의 연결구조는 한정되지 않으며 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 연료유입 매니폴드(114a, 114b) 및 연료배출 매니폴드(116a, 116b)는 연료용 분리판(110)의 하부를 통해 연결될 수 있으며, 이때 다른 분리판들을 통과하도록 연계될 수 있다.
더불어, 제1산화제 유입 매니폴드(124a, 124b) 및 제1산화제 배출 매니폴드(126a, 126b)는 제1산화제용 분리판(120)의 상부에 연계되는 것으로 설명하고 있으나, 제1산화제 유입 매니폴드(124a, 124b) 및 제1산화제 배출 매니폴드(126a, 126b)는 제1산화제용 분리판(120)의 하부를 통해 연결될 수 있으며, 이때 다른 분리판들을 통과하도록 연계될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 연료전지
110: 연료용 분리판
112: 연료용 분리판 본체
114a, 114b: 연료유입 매니폴드
116a, 116b: 연료배출 매니폴드
120: 제1산화제용 분리판
122: 제1산화제용 분리판 본체
124a, 124b: 제1산화제 유입 매니폴드
126a, 126b: 제1산화제 배출 매니폴드
130: 제2산화제용 분리판
132: 제2산화제용 분리판 본체
134a, 134b: 제2산화제 유입 매니폴드
136a, 136b: 제2산화제 배출 매니폴드
CS: 콜드 스팟(Coil Spot)
HS: 핫 스팟(Hot Spot)

Claims (4)

  1. 연료와 산화제를 분리판을 이용하여 분리공급하여 전기화학반응에 의해 에너지를 생산하는 연료전지에 있어서,
    측면 중앙부를 통해 연료의 유입 및 배출이 이루어지는 연료용 분리판;
    상기 연료용 분리판의 일측면에 적층되며 상기 중앙부를 기준으로 일측을 통해 산화제의 유입 및 배출이 이루어지는 제1산화제용 분리판; 및
    상기 연료용 분리판을 기준으로 대향되는 타측면에 적층되며 상기 중앙부를 기준으로 타측을 통해 산화제의 유입 및 배출이 이루어지는 제2산화제용 분리판;
    을 포함하는 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 연료용 분리판은
    내부에 연료의 순환유로가 구비된 연료용 분리판 본체와,
    상기 연료용 분리판 본체의 대향되는 양측면의 중앙부에 제공되는 연료유입 매니폴드와,
    상기 연료유입 매니폴드와 직교하여 상기 분리판 본체의 대향되는 양측면의 중앙부에 제공되는 연료배출 매니폴드를 포함하는 연료전지.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제1산화제용 분리판은
    내부에 산화제의 순환유로가 구비된 제1산화제용 분리판 본체와,
    상기 제1산화제용 분리판 본체의 대향되는 양측면에서 상기 연료유입 매니폴드를 기준으로 일측에 제공되는 제1산화제 유입 매니폴드와,
    상기 제1산화제 유입 매니폴드와 직교하여 상기 제1산화제용 분리판 본체의 대향되는 양측면에서 상기 연료배출 매니폴드를 기준으로 일측에 제공되는 제1산화제 배출 매니폴드를 포함하는 연료전지.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 제2산화제용 분리판은
    내부에 산화제의 순환유로가 구비된 제2산화제용 분리판 본체와,
    상기 제2산화제용 분리판 본체의 대향되는 양측면에서 상기 연료유입 매니폴드를 기준으로 타측에 제공되는 제2산화제 유입 매니폴드와,
    상기 제2산화제 유입 매니폴드와 직교하여 상기 제1산화제용 분리판 본체의 대향되는 양측면에서 상기 연료배출 매니폴드를 기준으로 타측에 제공되는 제2산화제 배출 매니폴드를 포함하는 연료전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000082482A (ja) 1998-06-26 2000-03-21 Toyota Motor Corp 燃料電池用ガスセパレ―タおよび燃料電池並びに燃料電池におけるガスの流通方法

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