KR101417526B1 - 엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택 - Google Patents

엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 클로즈형 엔드플레이트와 인접하고 있는 인접셀의 냉각 방지를 위한 구조를 가지는 연료전지 스택에 관한 것이다.
이에 본 발명은, 연료전지 스택의 한쪽 및 다른 한쪽에 각각 배치되어 복수 개의 작동셀들을 체결시키는 오픈형 엔드플레이트와 클로즈형 엔드플레이트를 포함하며, 상기 작동셀에 인접하고 있는 클로즈형 엔드플레이트의 내벽면에는 에어포켓을 형성가능한 중공형의 유로공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택을 제공한다.

Description

엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택 {Fuel cell stack for preventing deterioration of end cell}
본 발명은 엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 클로즈형 엔드플레이트와 인접하고 있는 인접셀의 냉각 방지를 위한 구조를 가지는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지 스택은 연료전지 자동차의 주 에너지원인 전기를 생산하는 일종의 발전장치로서, 전극막 어셈블리를 사이에 두고 수소가 공급되는 연료극과 공기가 공급되는 공기극이 적층된 구조를 가지며, 공기 중의 산소와 외부에서 공급된 수소가 화학적으로 반응하여 전기에너지를 발생시키는 장치를 말한다.
대개, 연료전지 스택은 수십에서 수백 개의 단위셀이 적층되어 구성된다.
연료전지 스택의 단위셀 구성을 살펴보면, 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포되는 촉매층인 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 구성된 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 가장 안쪽에 배치되고, 공기극 및 연료극의 바깥 부분에는 가스확산층(Gas Diffusion Layer)이 적층되며, 이 가스확산층의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 배치된다.
또한, 상기한 각 단위셀들이 수십에서 수백 개 적층된 후, 첨부한 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같이 가장 바깥쪽 양편에는 각 구성들을 지지 및 고정하기 위한 엔드플레이트(End plate)가 결합됨으로써, 연료전지 스택으로 완성된다.
이때, 상기 엔드플레이트는 스택의 체결을 위한 지지체 및 발생 전기의 이동 통로 역할을 하며, 플라스틱 및 금속 재질로 되어 있다.
도 1에서 보듯이 상기 연료전지 스택(10)의 각 단위셀들이 수십에서 수백 개 적층될 때, 정상적으로 전기생성 반응을 하는 작동셀(12) 이외에 클로즈형 엔드플레이트(22)와 인접된 위치에는 더미셀(14)이 적층 배열되고, 상기 작동셀(12)과 더미셀(14)의 적층방향으로 상하 일측에는 공급매니폴드(16)가 형성되며 상하 타측에는 배출매니폴드(18)가 형성된다.
특히, 도 1에 보이듯이 한쪽의 엔드플레이트는 닫힌 구조의 클로즈형 엔드플레이트(22)로 채택되고, 다른 한쪽의 엔드플레이트는 수소 및 공기, 그리고 냉각수 등의 유입을 위한 입구통로(26)가 상단부에 관통 형성되고 하부에는 미반응가스 및 냉각수의 배출을 위한 출구통로(28)가 관통 형성된 오픈형 엔드플레이트(24)로 채택된다.
통상 스택에 공급되는 연료(수소와 공기)와 냉각수는 오픈형 엔드플레이트(24) -> 공급매니폴드(16) -> 작동셀(12) -> 배출매니폴드(18)를 거친 뒤 다시 오픈형 엔드플레이트(24)를 통과하여 스택(10) 외부로 배출된다.
구체적으로는, 연료전지 스택(10)의 오픈형 엔드플레이트(24)의 입구통로(26)를 통과하여 연료극으로 수소가 공급되고, 공기극으로 공기(산소)가 공급되며, 또한 냉각을 위한 냉각수도 오픈형 엔드플레이트(24)의 입구통로(26)를 통과하여 분리판의 냉각수 유로로 공급된다.
이에 따라, 연료극에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 공기극으로 이동하게 되며, 연료극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기 중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.
한편, 연료전지에 공급하는 연료(수소/공기)는 멤브레인 성능 유지를 위해 가습된 연료가 공급되어야 함에 따라, 스택에 공급하는 가습된 연료가 공급매니폴드를 지날 때, 주변의 낮은 온도로 인해 응축수가 발생하게 된다.
이때, 생성된 응축수가 연료와 함께 유로벽면을 타고 스택에 유입되고, 응축수가 유입된 셀은 성능 및 내구 저하가 발생하게 되며, 그 이유는 촉매 주위에 물이 지속적으로 존재함으로 발생하는 촉매 열화에서 찾을 수 있다.
또한, 엔드플레이트(22,24)와 인접한 셀은 엔드플레이트(22,24)를 통한 외부로부터의 냉각으로 인해 다른 셀에 비해 더 낮은 온도를 가지게 되며, 특히 클로즈형 엔드플레이트(22)에 인접한 셀은 연료와 냉각수가 클로즈형 엔드플레이트(22)의 내벽면에 부딪힘에 의해 추가로 냉각되어 공급되기에 더욱더 낮은 온도를 가지게 된다.
이러한 셀의 낮은 온도는 셀 내부에 응축수 생성을 증가시키게 되며, 이는 스택 열화의 원인이 된다.
이를 해소하고자, 종래에는 도 1에서 보듯이 클로즈형 엔드플레이트(22)와 인접된 스택 위치에 더미셀(14 : 전기 생성을 하지 않고, 응축수 배출통로로 활용하기 위한 미반응 셀)을 배치하고 있지만, 그 효과가 미미하여 클로즈형 엔드플레이트(22)에 인접한 셀의 내구성능 저하 현상이 지속적으로 발생하고 있다.
이에 셀 냉각에 의한 내구성능 저하를 방지하기 위해 클로즈형 엔드플레이트(22)와 인접된 스택 위치에 더미셀을 추가할 수는 있으나, 이 경우 더미셀 추가 적용으로 출력저하 및 원가 상승, 중량 증가 등의 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 개선하기 위해 고안한 것으로서, 클로즈형 엔드플레이트의 내벽면에 에어포켓을 통한 단열효과를 발생시킬 수 있는 유로공간을 형성하여 클로즈형 엔드플레이트에 인접하고 있는 인접셀의 냉각을 방지하고 온도 상승을 유도할 수 있는 엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연료전지 스택의 한쪽 및 다른 한쪽에 각각 배치되어 복수 개의 작동셀들을 체결시키는 오픈형 엔드플레이트와 클로즈형 엔드플레이트를 포함하며, 상기 작동셀에 인접하고 있는 클로즈형 엔드플레이트의 내벽면에는 에어포켓을 형성가능한 중공형의 유로공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명의 구현예에서, 상기 유로공간은 클로즈형 엔드플레이트에 인접한 공급매니폴드의 끝단을 마주하는 위치에 형성된다.
또한 본 발명의 구현예에서, 상기 클로즈형 엔드플레이트와 작동셀은 더미셀을 사이에 두고 인접하고 있으며, 상기 더미셀의 서브가스켓은 미세홀을 가지는 닫힌 판형 구조로 되어 있고, 상기 미세홀은 클로즈형 엔드플레이트에 인접한 공급매니폴드의 끝단과 배출매니폴드의 끝단을 마주하는 위치에 각각 형성되어 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
1. 클로즈형 엔드플레이트에 인접하고 있는 인접셀의 냉각 방지를 위한 구조로서 클로즈형 엔드플레이트의 내벽면에 유로공간을 형성하고, 상기 유로공간을 통한 에어포켓 효과로 인접셀의 온도 상승을 유도함으로써 응축수 생성량을 축소하여 플로딩(flooding) 현상을 저감하고, 스택 내구 및 열화를 개선하여 내구성능 및 연비/출력 등을 개선할 수 있다.
2. 더미셀의 추가 적용 없이 클로즈형 엔드플레이트에 인접하고 있는 셀의 냉각을 방지할 수 있게 되어 더미셀 추가 적용으로 인한 출력저하 및 원가 상승, 중량 증가 등을 개선할 수 있다.
아울러, 셀의 온도 상승을 위해 단열재나 열선 등을 이용할 필요가 없어 별도의 원가 상승 및 중량 증가를 유발하지 않는다.
도 1은 종래의 연료전지 스택 구조를 나타낸 개략적 단면도
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택 구조를 나타낸 개략적 단면도
도 3은 도 2의 A부를 확대 도시한 것으로, 클로즈형 엔드플레이트의 유로공간에 에어포켓이 형성됨을 설명하는 도면
도 4는 본 발명의 연료전지 스택에서 작동셀과 더미셀에 적용한 서브가스켓의 구조를 나타낸 도면
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 온도 분포 해석 결과를 종래와 비교하여 나타낸 그래프
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명은 엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택에 관한 것으로, 클로즈형 엔드플레이트의 내벽면에 유로공간을 형성하여 공급매니폴드를 통해 유입되는 연료 및 냉각수가 클로즈형 엔드플레이트의 벽면에 부딪혀 냉각되는 현상을 감소시키고, 또한 매니폴드 유로홀을 미적용한 서브가스켓을 클로즈형 엔드플레이트에 인접한 더미셀에 적용하여 연료 유동 변화시에도 상기 유로공간에 형성되는 에어포켓을 유지하도록 한다.
도 2에는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 단면구조가 개략적으로 도시되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 연료전지 스택(10)은 정상적으로 전기생성 반응을 하는 복수 개의 작동셀(12)들이 적층된 상태에서, 한쪽에는 닫힌 구조의 클로즈형 엔드플레이트(22)가 체결되고, 다른 한쪽에는 오픈형 엔드플레이트(24)가 체결되며, 또한 도면에 나타내지는 않았으나 상기 클로즈형 엔드플레이트(22)와 오픈형 엔드플레이트(24)는 작동셀(12)에 대한 체결면압을 제공 및 유지하기 위한 별도의 벤딩 내지 클램핑수단에 의하여 묶이게 된다.
이때 상기 오픈형 엔드플레이트(24)는 그 상부에 연료와 냉각수 등의 유입을 위한 입구통로(26)가 작동셀(12) 측으로 관통되어 형성되고, 그 하부에 작동셀(12)에서 반응을 마친 미반응가스 및 냉각수의 배출을 위한 출구통로(28)가 관통되어 형성된다.
여기서, 상기 작동셀(12)의 상부와 하부에 형성된 공급매니폴드(16) 및 배출매니폴드(18)는 서브가스켓을 매개로 서로 적층된 분리판의 매니폴드부를 나타내고, 이는 각각 공기/수소/냉각수의 공급매니폴드 및 배출매니폴드를 포함한다.
본 발명에서는 상기 공급매니폴드(16)를 통해 스택(10)에 유입되는 연료와 냉각수가 클로즈형 엔드플레이트(22)의 벽면에 부딪혀 냉각되는 현상을 방지하기 위해, 상기 클로즈형 엔드플레이트(22)에 중공형의 유로공간(30)을 형성한다.
도 2에 보이듯이, 상기 클로즈형 엔드플레이트(22)는 작동셀(12)과 인접한 내벽면에 일정 깊이로 유로공간(30)이 형성되어 있고, 이 유로공간(30)은 입구통로(26)의 맞은편 즉, 공급매니폴드(16)의 끝단을 마주하는 위치에 배치된다.
다시 말해, 상기 유로공간(30)은 공급매니폴드(16)의 연장선상에 위치하도록 형성되어서, 오픈형 엔드플레이트(24)의 입구통로(26)를 통해 유입된 연료 및 냉각수가 클로즈형 엔드플레이트(22)의 벽면에 부딪혀 냉각되는 것을 방지함으로써 클로즈형 엔드플레이트(22)에 인접한 작동셀(12) 즉, 엔드셀을 포함하는 인접셀의 냉각을 방지하여 셀의 온도 상승을 유발할 수 있게 된다.
이때, 스택(10) 내 연료의 유동 속도 분포를 해석한 결과 유로공간(30) 내에는 유동 속도가 거의 없는 에어포켓이 형성됨을 확인하였다.
도 3은 도 2의 A부를 확대하여 나타낸 것으로, 클로즈형 엔드플레이트(22)의 유로공간(30) 내 가스(연료)의 유동 상태가 도시되어 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 유로공간(30) 내부에 가스는 회전 유동을 형성하게 되는데, 유로공간(30) 내에서 속도가 거의 없는 상태로 유동하게 되어 에어포켓을 형성하게 되고, 이렇게 형성된 에어포켓을 통해 단열효과를 얻을 수 있게 된다.
이에 따라, 클로즈형 엔드플레이트(22)에 인접하고 있는 엔드셀을 포함한 인접셀의 단열성능을 증대시킬 수 있게 된다.
이렇게 유로공간(30) 내 에어포켓을 통해 클로즈형 엔드플레이트(22)에 인접한 작동셀(12)의 온도 상승 유도함으로써 셀 내 응축수 생성량을 축소하여 플로딩(flooding) 현상을 저감하고, 스택 내구 및 열화를 개선하여 내구성능 및 출력성능을 개선할 수 있게 된다.
한편, 상기 클로즈형 엔드플레이트(22)와 작동셀(12) 사이에는 단층의 더미셀(14)이 적층 배열되어 있다.
상기 더미셀(14)은 전기 생성 반응을 하지 않는 미반응 셀로서, 작동셀(12) 중 엔드셀의 후단에서 클로즈형 엔드플레이트(22)의 내벽면에 직접적으로 접하여 단열기능을 발휘할 수 있게 된다.
본 발명에서는 스택(10) 내로 공급되는 연료 유동 변화시에도 클로즈형 엔드플레이트(22)의 유로공간(30)에 형성되는 에어포켓을 유지하기 위하여, 상기 더미셀(14)에 매니폴드 유로홀을 삭제한 닫힌 판형 구조의 서브가스켓(20)을 적용한다.
다시 말해, 상기 더미셀(14)의 서브가스켓으로 일반적인 매니폴드 유로홀을 생략한 서브가스켓(20)을 이용함으로써 오픈형 엔드플레이트(24)의 입구통로(26)를 통해 유입되는 연료의 유동 변화와 상관없이 상기 유로공간(30)에 형성되는 에어포켓을 유지할 수 있게 된다.
스택(10) 내 다른 단위셀들 즉, 작동셀(12)에는 모두 일반적인 매니폴드 유로홀을 형성한 서브가스켓이 사용되며, 이 서브가스켓의 매니폴드 유로홀은 공급매니폴드(16)와 배출매니폴드(18)의 일부분을 형성하게 된다.
도 4에는 본 발명에서 사용한 작동셀(12)과 더미셀(14)의 서브가스켓 구조가 도시되어 있다.
도 4를 보면, 작동셀(12)의 서브가스켓에는 매니폴드 유로홀이 형성되어 있는 반면, 더미셀(14)의 서브가스켓(20)에는 매니폴드 유로홀이 없고 대신 미세홀(32)이 형성되어 있다.
상기 더미셀(14)은 스택 내 연료 유동 변화시 유로공간(30)의 에어포켓을 유지하기 위하여, 매니폴드 유로홀이 삭제되는 대신, 멤브레인의 앞/뒷면 차압을 해소하기 위해 미세홀(32)이 형성되어 있다.
더미셀(14)의 서브가스켓(20)에서 매니폴드 유로홀을 삭제하게 되면 멤브레인의 앞/뒷면에 차압이 발생하게 되는데, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 서브가스켓(20)에 매니폴드 유로홀 대신 미세홀(32)을 형성함으로써 멤브레인의 앞/뒷면에 발생할 수 있는 차압을 개선할 수 있다.
상기 미세홀(32)은 매니폴드 유로홀과 마찬가지로 공급매니폴드(16) 및 배출매니폴드(18)의 일직선상에 위치하도록 서브가스켓(20) 상에 형성되며, 도 2에 보이듯이, 공급매니폴드(16) 및 배출매니폴드(18)의 끝단을 마주하는 위치에 위치하도록 형성된다.
이에, 상기 미세홀(32)은 클로즈형 엔드플레이트(22)의 유로공간(30)과 공급매니폴드(16)의 끝단 사이에 위치하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 온도 분포 해석 결과를 종래와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5에 보이듯이, 본 발명의 연료전지 스택에서는 클로즈형 엔드플레이트와 인접하고 있는 작동셀 즉, 엔드셀의 온도가 종래 대비 높게 형성됨을 알 수 있으며, 엔드셀 외에 클로즈형 엔드플레이트와 인접하고 있는 다른 작동셀의 온도 또한 종래 대비 증가함을 알 수 있다.
다시 말해, 연료전지 스택을 구성하는 대부분의 작동셀에서 종래 대비 더 높은 온도가 형성되는데, 특히 클로즈형 엔드플레이트와 인접해 있는 엔드셀에서 온도 차가 가장 크게 발생하였고, 엔드셀에서 퍼스트셀로 갈수록 점차 온도 차가 감소하긴 하였으나, 대부분의 작동셀에서도 종래 대비 더 높은 온도가 형성됨을 확인할 수 있었다.
10 : 연료전지 스택
12 : 작동셀
14 : 더미셀
16 : 공급매니폴드
18 : 배출매니폴드
20 : 더미셀의 서브가스켓
22 : 클로즈형 엔드플레이트
24 : 오픈형 엔드플레이트
26 : 입구통로
28 : 출구통로
30 : 유로공간
32 : 미세홀

Claims (4)

  1. 연료전지 스택의 한쪽 및 다른 한쪽에 각각 배치되어 복수 개의 작동셀들을 체결시키는 오픈형 엔드플레이트와 클로즈형 엔드플레이트를 포함하며, 상기 작동셀에 인접하고 있는 클로즈형 엔드플레이트의 내벽면에는 중공형의 유로공간이 형성되어 있으며,
    상기 클로즈형 엔드플레이트와 작동셀은 더미셀을 사이에 두고 인접하고 있으며, 상기 더미셀의 서브가스켓은 미세홀을 가지는 닫힌 판형 구조로 된 것을 특징으로 하는 엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로공간은 클로즈형 엔드플레이트에 인접한 공급매니폴드의 끝단을 마주하는 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세홀은 클로즈형 엔드플레이트에 인접한 공급매니폴드의 끝단과 배출매니폴드의 끝단을 마주하는 위치에 각각 형성된 것을 특징으로 하는 엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택.
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