KR101491372B1 - 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

막-전극 어셈블리들 사이에서 복수의 채널판들에 의해 형성되는, 상기 막-전극 어셈블리들 중 하나에 연료를 공급하기 위한 제1 유로 채널, 상기 막-전극 어셈블리들 중 다른 하나에 공기를 공급하기 위한 제2 유로 채널, 및 상기 제1 유로 채널 및 제2 유로 채널을 냉각하기 위한 냉각 매체가 유동하는 냉각 채널을 포함하며, 냉각 채널은 내부에 삽입되어 상기 냉각 채널을 분할하는 분할 핀을 포함하는 연료 전지 분리판이 소개된다.

Description

연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택{Fuel cell separator and fuel cell stack including the same}
본 발명은 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열 전달 능력을 향상시켜 국부 냉각 효과를 향상시킨 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다. 연료 전지 스택은 다수의 단위 전지들을 연속적으로 적층하여 구성되는 바, 각각의 단위 전지는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 분리판(separator)을 구비하여 이루어진다.
여기서, 단위 전지들의 막-전극 어셈블리와 분리판 사이에는 이들 막-전극 어셈블리와 분리판 사이의 기밀을 유지하기 위한 가스켓을 형성하고 있다. 그리고, 각각의 분리판에는 연료 및 공기를 막-전극 어셈블리로 공급하거나 배출하고, 반응 부산물인 수분을 배출함과 아울러 냉각수와 같은 냉각 매체를 유동시키기 위한 복수의 매니폴드들을 형성하고 있다.
도 1은 복수의 매니폴드들 사이에 채널이 형성된 전형적인 연료 전지 스택의 분리판 유로 패턴을 도시한 도면이며, 도 2는 연료 전지 스택 운전 중 분리판 냉각수 입구와 출구 부근의 온도 편차에 대해 도시한 도면이다. 가장 좌측의 경우 가장 온도가 낮으며, 냉각수 출구 쪽으로 갈수록 점점 온도가 높이지다가 타원으로 표시한 부분에서 가장 높은 온도가 검출됨을 알 수 있다. 즉, 연료 전지 스택 운전 중 분리판의 길이 방향 및 폭 방향으로 온도 편차가 발생한다. 이러한 국소적인 온도 상승은 연료 전지 스택을 열화시킬 수 있어 이를 해소하기 위한 방안이 문제된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 2013-0027245 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 분할 핀 및 다공성 전도 물질을 이용하여 국부적으로 냉각능력을 향상시킬 수 있는 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 분리판은, 막-전극 어셈블리들 사이에서 복수의 채널판들에 의해 형성되는, 상기 막-전극 어셈블리들 중 하나에 연료를 공급하기 위한 제1 유로 채널, 상기 막-전극 어셈블리들 중 다른 하나에 공기를 공급하기 위한 제2 유로 채널, 및 상기 제1 유로 채널 및 제2 유로 채널을 냉각하기 위한 냉각 매체가 유동하는 냉각 채널을 포함하며, 상기 냉각 채널은 내부에 삽입되어 상기 냉각 채널을 분할하는 분할 핀을 포함할 수 있다.
상기 분할 핀은 다공성 물질로 형성되며, 상기 다공성 물질의 열 전도도는 상기 채널판들의 열 전도도 보다 높을 수 있다.
상기 분할 핀의 두께는 상기 채널판들의 두께보다 얇을 수 있다.
상기 냉각 채널의 단면이 다각형인 경우, 상기 분할 핀은 상기 냉각 채널의 꼭지점들 중 적어도 하나의 꼭지점에 연결될 수 있다.
상기 분할 핀들은 상기 냉각 채널 내부 공간을 복수의 공간으로 분할할 수 있다.
상기 분할 핀은 탄소 섬유 또는 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 냉각 채널을 둘러싸는 채널판들 중 상기 냉각 채널 내부에 접하는 벽면은 요철을 가질 수 있다.
상기 요철은 스크래치, 나노 코팅, 플라즈마 처리, 분말 도포 또는 쇼트닝(shortening)에 의해 형성될 수 있다.
상기 분할 핀은 상기 연료 전지 분리판 전체의 운도 분포도에 기반하여 상기 연료 전지 분리판의 온도가 상대적으로 고온인 영역의 냉각 채널 내에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 상기 연료 전지 분리판을 포함할 수 있다.
분리판 내부의 온도 편차를 조정할 수 있는 효과가 있다.
분리판 내부에서 상대적으로 고온 영역을 국부적으로 냉각시킬 수 있어 연료 전지의 열화를 방지할 수 있다.
냉각 매체가 지나면서 접촉하는 전열 면적을 확대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 연료 전지 스택의 단위 셀의 냉각 유로 패턴에 대해 도시한 도면이다.
도 2는 연료 전지 스택의 운전 중 발생하는 온도 편차 현상에 대해 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 구조를 갖는 연료 전지 분리판의 형성 위치에 대해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 분할 방열 구조를 갖는 연료 전지 분리판의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 다른 다공성 물질이 삽입된 방열 구조를 갖는 연료 전지 분리판의 확대도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택에 대하여 살펴본다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 구조를 갖는 연료 전지 분리판의 형성 위치에 대해 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 분할 방열 구조를 갖는 연료 전지 분리판의 확대도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 다른 다공성 물질이 삽입된 방열 구조를 갖는 연료 전지 분리판의 확대도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 도 3은 막-전극 어셈블리(MEA)가 형성된 연료 전지 단위 셀에서 도 4 또는 도 5에 도시된 분리판 구조를 채용할 위치를 도시한 것이다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 연료 전지 스택의 운전 중에 냉각수 입구 부근에는 저온 영역이 형성되고, 냉각수 출구 부근의 중앙 영역에서 고온 영역이 발생하게 되므로, 분리판 내부의 온도 분포도에 기반하여 연료 전지 분리판의 온도가 상대적으로 고온인 영역에 도 4 또는 도 5에 도시된 분리판 구조를 채용하는 것이다. 고온인 영역에 도 4 또는 도 5에 예시된 바와 같은 분리판 구조를 채용함으로써 분리판의 길이 방향 및 폭 방향으로 발생되는 온도 편차를 줄일 수 있는 것이다.
도 4 및 도 5에 예시된 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 분리판의 단면 구조를 살펴보기로 한다. 도 4에는 4개의 분리판 단면 구조를 도시하고 있다. 도 4 및 도 5에 예시된 단면 구조는 도 3에 도시된 A-A' 방향의 단면을 표현한 것이다.
연료 전지 스택은 수소 이온이 이동하는 전해질 막을 중심으로 막의 양쪽에 전기 화학 반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 MEA(Membrane Electrode Assembly)와, 반응 기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer : GDL), 반응 기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결 기구와, 반응 기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판으로 구성된다.
연료 전지 단위 셀은 MEA(21)와 분리판(30)을 포함하며, 이러한 연료 전지 단위 셀들이 적층되어 연료 전지 스택을 이룬다. 도 4에 도시된 연료 전지 단위 셀들은 각각 MEA(21), 분리판(30), 제1 채널판(40), 제1 유로 채널(41), 제2 채널판(50), 제2 유로 채널(51), 냉각 채널(60) 및 분할 핀(70)을 포함할 수 있다.
MEA(21)들 사이의 분리판(30)에는 제1 채널판(40)과 제2 채널판(50)을 통해 MEA(21)에 연료를 공급할 수 있는 제1 유로 채널(41)과 다른 MEA(21)에 공기를 공급할 수 있는 제2 유로 채널(51) 및 제1 유로 채널(41)과 제2 유로 채널(51)을 냉각시키기 위한 냉각 매체가 유동하는 냉각 채널(60)이 형성된다.
제1 채널판(40)은 제1 유로 채널(41)이 일면에 형성되며, 제2 채널판(50)은 일면에 제2 유로 채널(51)이 형성된다. 제1 유로 채널(41)과 제2 유로 채널(51)은 제1 채널판(40) 및 제2 채널판(50)의 길이 방향을 따라서 형성되며, 제1 채널판(40)과 제2 채널판(50)은 금속 소재의 박판으로 형성될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 서로 용접 접합될 수 있다.
제1 유로 채널(41) 및 제2 유로 채널(51)은 사다리꼴 형상일 수 있고, 제1 채널판(40)과 제2 채널판(50)의 접합된 부분이 각각 제1 유로 채널(41)의 윗면, 제2 유로 채널(51)의 윗면일 수 있다. 또한 MEA(21)와 접하는 부분이 각각 제1 유로 채널(41)의 아랫면, 제2 유로 채널(51)의 아랫면일 수 있다.
냉각 채널(60)은 단면이 다각형 형상일 수 있으며, 도 4에 예시된 바와 같이 그 단면이 육각형 형상일 수 있다. 냉각 채널(60)은 제1 유로 채널(41)과 제1 채널판(40)을 사이에 두고 접하며, 제2 유로 채널(51)과 제2 채널판(50)을 사이에 두고 접할 수 있다. 이에 따라 냉각 채널(60) 내부로 냉각 매체가 유동시 제1 유로 채널(41) 및 제2 유로 채널(51)을 냉각시킬 수 있다.
분할 핀(70)은 다공성 물질로 형성되며, 이러한 다공성 물질의 열 전도도는 제1 채널판(40) 및 제2 채널판(50)들의 열 전도도보다 높다. 또한 분할 핀(70)의 두께는 제1 채널판(40) 및 제2 채널판(50)들의 두께보다 얇을 수 있다. 또한, 냉각채널(60)은 복수의 분할 핀들(70)을 포함할 수도 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 냉각 채널(60) 내의 복수의 분할 핀들(70)은 랜덤하게 놓여질 수도 있다. 냉각 채널(60) 내부의 분할 핀(70)은 냉각 채널(60) 내부 공간을 복수의 공간으로 분할할 수 있다. 또한, 냉각 채널(60)이 단면이 다각형인 경우, 분할 핀(70)은 냉각 채널(60)의 꼭지점들 중 적어도 하나의 꼭지점에 연결되어 냉각 채널(60) 내부 공간을 분할할 수 있다.
분할 핀(70)의 구성은 핀 효과(fin effect)를 이용하는 것으로 고온 영역인 곳에서 방열 면적을 넓히기 위함이다. 분할 핀(70)은 냉각 채널(60) 내부에서 유동하는 냉각 매체가 지나가면서 접촉하는 전열 면적을 확대시킬 수 있다. 따라서 국부적인 냉각 효과를 기대할 수 있다. 분할 핀(70)은 탄소 섬유, 금속 재질 등으로 구성가능하며, 이들은 열을 전달하는 기능만이 필요하고 유동 저항을 최소화시켜야 하므로, 열관성이 작은 구조여야 한다. 분할 핀(70)은 표면적이 넓으면서 부피는 작고, 무게는 최소화되어야 한다.
냉각 채널(60) 내부에 형성된 제1 채널판(40) 및 제2 채널판(50)은 그 내부 벽면에 요철을 가질 수 있다. 이러한, 냉각 채널 내부에 접하는 제1 채널판(40) 및 제2 채널판(50)의 벽면에 형성된 요철은 스크래치, 나노 코팅, 플라즈마 처리, 분말 도포 또는 쇼트닝(shortening)에 의해 형성될 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
21 : MEA 30 : 연료 전지 분리판
40 : 제1 채널판 41 : 제1 유로 채널
50 : 제2 채널판 51 : 제2 유로 채널
60 : 냉각 채널 70 : 분할 핀

Claims (10)

  1. 막-전극 어셈블리들 사이에서 복수의 채널판들에 의해 형성되는, 상기 막-전극 어셈블리들 중 하나에 연료를 공급하기 위한 제1 유로 채널, 상기 막-전극 어셈블리들 중 다른 하나에 공기를 공급하기 위한 제2 유로 채널, 및 상기 제1 유로 채널 및 제2 유로 채널을 냉각하기 위한 냉각 매체가 유동하는 냉각 채널을 포함하며,
    상기 냉각 채널은 내부에 삽입되어 상기 냉각 채널을 분할하는 분할 핀을 포함하는,
    연료 전지 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분할 핀은 다공성 물질로 형성되며, 상기 다공성 물질의 열 전도도는 상기 채널판들의 열 전도도 보다 높은 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분할 핀의 두께는 상기 채널판들의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 채널의 단면이 다각형인 경우, 상기 분할 핀은 상기 냉각 채널의 꼭지점들 중 적어도 하나의 꼭지점에 연결되는,
    연료 전지 분리판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 채널은 복수의 분할 핀들을 포함하며, 상기 분할 핀들은 상기 냉각 채널 내부 공간을 복수의 공간으로 분할하는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분할 핀은 탄소 섬유 또는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 채널을 둘러싸는 채널판들 중 상기 냉각 채널 내부에 접하는 벽면은 요철을 갖는,
    연료 전지 분리판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 요철은 스크래치, 나노 코팅, 플라즈마 처리, 분말 도포 또는 쇼트닝(shortening)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분할 핀은 상기 연료 전지 분리판 전체의 운도 분포도에 기반하여 상기 연료 전지 분리판의 온도가 상대적으로 고온인 영역의 냉각 채널 내에 포함되는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 분리판.
  10. 제1 항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 분리판을 포함하는,
    연료 전지 스택.
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