KR101547130B1

KR101547130B1 - 연료전지

Info

Publication number: KR101547130B1
Application number: KR1020130163239A
Authority: KR
Inventors: 양충모; 김승구; 황순철
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원; 포스코에너지 주식회사; 철강융합신기술연구조합
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-08-26
Also published as: KR20150075260A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는 단위셀이 적층되어 제공되는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택의 상부와 하부에 제공되는 엔드판 및 상기 엔드판과 상기 연료전지 스택 사이에 제공되며, 공기 또는 연료가 유입되는 공급 매니폴드 홀 복수 개를 개방되게 형성하여, 복수의 상기 공급 매니폴드 홀 사이의 유량을 조정하게 제공되는 더미 분리판을 포함할 수 있다.

Description

연료전지{Fuel cell}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 또는 연료 등의 유체 유량이 서로 다르게 공급되는 공급 매니폴드 홀 사이에 균일한 유량으로 상기 유체를 공급하도록, 상기 유체가 유입되는 공급 매니폴드 홀만이 형성된 더미 분리판을 제공하는 발명에 관한 것이다.

연료전지는 수소를 사용하여 전기를 생산하는데 있어서 가장 효율이 높은 이상적인 에너지 변환장치로 일컬어지고 있다. 즉, 상기 연료전지(Fuel Cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 에너지 변환 장치로써, 일반적으로 연료극, 공기극 및 상기 연료극과 공기극 사이에 위치하는 전해질막으로 구성된다.

이러한 연료전지는 연료극으로 연료가스가 주입되어 산화되고, 공기극으로 공기가 공급되어 연료극과 공기극 사이에 위치하는 전해질막을 통하여 이온이 이동되어 외부 회로를 경유하는 방식으로 작동된다.

이때 연료극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르게 되며, 이를 이용하여 전기 에너지를 생산하게 된다.

그런데, 이와 같이 공급되는 공기 또는 연료의 유동 방향 및 부하, 이용률 등의 운전조건에 따라서 전기화학반응이 일어나는 부분이 정해지게 되는데, 이로 인하여 한쪽으로 쏠려진 온도 구배가 발생하여 스택 전체의 열응력 분포가 비대칭적으로 형성되어, 연료전지의 뷸균일한 열변형에 의한 구조적 안정성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.

일례로써, 통상의 경우 연료전지로 공급되는 공기나 연료의 배관이 스택의 정중앙에 위치하기 어렵기 때문에 유동의 쏠림 현상이 발생하게 되고 이는 매니폴드 홀 사이에 유동 불균일 현상을 야기하게 된다.

즉, 도 1a에 도시된 바와 같이, 연료전지에는 엔드판(20')에 제공되는 공기 또는 연료 공급관이 홀수층 더미 분리판(30')의 홀수층 공급 매니폴드 홀(31b') 또는 짝수층 더미 분리판(30')의 짝수층 공급 매니폴드 홀(31a')과 연결되게 제공된다.

이때, 상기 공급관이 상기 엔드판(20')의 중앙에 있으면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 어느 정도는 공급 유량을 상기 홀수층 공급 매니폴드 홀(31b')과 상기 짝수층 공급 매니폴드 홀(31a')에 동일하게 제공할 수 있으나, 상기 공급관이 상기 엔드판(20')의 일측에 치우쳐 제공되면, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 홀수층 공급 매니폴드 홀(31b')과 상기 짝수층 공급 매니폴드 홀(31a')에 불균일하게 공기 또는 연료가 공급되는 문제가 발생하게 된다.

이러한 유동의 불균일에 의하여 홀수층 단위셀(11')과 짝수층 단위셀(11')에 공급되는 유량이 달라지게 되고, 이는 홀수셀들과 짝수셀들의 성능편차로 나타나게 된다.

즉, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 전기화학반응이 편중되어 열변형이 불균일하게 발생하며, 도 2의 (c)에 나타낸 바와 같이 홀수층 단위셀(11')의 발생전압과 짝수층 단위셀(11')의 발생전압에 차이가 나게 된다.

이는 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이 공급관이 중앙에 위치하여 균일하게 공기 또는 연료를 공급할 때는 발생전압이 홀수층이든 짝수층이든 균일한 것과 비교해 보면 문제가 되는 것을 알 수 있다.

또한, 연료 공급이 적은 짝수층 단위셀(11')의 경우 주어진 연료 이용율보다 더 높은 연료 이용율을 경험하게 되어 설계치보다 빠른 연료이용 조건에서 농도차 편극(concentration polarization)이 발생함으로써 전체적인 성능 저하 및 부분적인 열화율 증가에 따른 수명 감소 등의 악영향을 일으키는 원인이 되기도 한다.

따라서, 전술한 문제들을 해결하기 위한 연료전지에 대한 연구가 필요하게 되었다.

본 발명의 목적은 공기 또는 연료 등의 유체 유량이 서로 다르게 공급되는 공급 매니폴드 홀 사이에 균일한 유량으로 상기 유체를 공급하여, 단위셀 마다 균일하게 전압을 발생시켜 연료전지 전체의 효율 및 수명을 증가시키는 연료전지를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 더미 분리판의 적어도 하나는 상기 공급 매니폴드 홀만을 형성하여 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 더미 분리판은 복수 개가 연속으로 적층되어 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 더미 분리판은 적층되어 제공되는 상기 단위셀 사이에도 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 더미 분리판은 복수의 상기 공급 매니폴드 홀에서 유입된 공기 또는 연료가 경유하는 공간을 제공하는 바이패스부를 더 제공하며, 상기 공급 매니폴드 홀은 상기 바이패스부의 양단부에 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 공급 매니폴드 홀은 상기 바이패스부의 일단부에 복수 개가 제공될 수 있다.

본 발명의 연료전지는 공기 또는 연료가 유입되는 공급 매니폴드 홀만이 복수 개 형성된 더미 분리판을 제공함으로써, 각각의 공급 매니폴드 홀로 균일한 유량으로 상기 공기 또는 연료 등의 유체를 흐르게 유도할 수 있는 이점이 있다.

이에 의해, 단위셀이 적층된 각각의 층에 균일한 유량의 공기 또는 연료를 공급할 수 있으며, 이에 의해 각각의 단위셀에서 균일한 전압을 생산할 수 있는 이점을 가지게 된다.

따라서, 상기 단위셀이 적층된 연료전지 전체에서 균일한 열발생으로 열변형도 균일하게 발생시킬 수 있어, 연료전지의 내구성 및 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 발생하게 된다.

도 1a 내지 도 2는 종래의 연료전지를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 연료전지에서 더미 분리판을 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 연료전지에서 더미 분리판에 의해서 균일한 유량분포로 조정되는 것을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 연료전지에서 더미 분리판을 여러층 포함하는 경우에 균일한 유량분포로 조정되는 것을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 연료전지를 도시한 분해사시도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

본 발명의 연료전지는 공기 또는 연료 등의 유체 유량이 서로 다르게 공급되는 공급 매니폴드 홀(31) 사이에 균일한 유량으로 상기 유체를 공급하도록, 상기 유체가 유입되는 공급 매니폴드 홀(31)만이 형성된 더미 분리판(30)을 제공하는 발명에 관한 것이다.

즉, 본 발명의 연료전지는 공기 또는 연료가 유입되는 공급 매니폴드 홀(31)만이 복수 개 형성된 더미 분리판(30)을 제공함으로써, 각각의 공급 매니폴드 홀(31)로 균일한 유량으로 상기 공기 또는 연료 등의 유체를 흐르게 유도할 수 있는 것이다.

이에 의해, 단위셀(11)이 적층된 각각의 층에 균일한 유량의 공기 또는 연료를 공급할 수 있어, 각각의 단위셀(11)에서 균일한 전압을 생산할 수 있게 된다.

따라서, 상기 단위셀(11)이 적층된 연료전지 전체에서 균일한 열발생으로 열변형도 균일하게 발생시킬 수 있어, 연료전지의 내구성 및 수명을 연장시킬 수 있게 된다.

구체적으로, 도 3은 본 발명의 연료전지에서 더미 분리판(30)을 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명의 연료전지에서 더미 분리판(30)에 의해서 균일한 유량분포로 조정되는 것을 도시한 사시도이며, 도 6은 본 발명의 연료전지를 도시한 분해사시도이다.

여기서, 도 3의 (a) 및 도 4의 (a)는 일측에 복수 개의 공급 매니폴드 홀(31)이 제공되는 경우에 일측의 공급 매니폴도 홀 사이에 유량 전달이 없는 경우이고, 도 3의 (b) 및 도 4의 (b)는 유량 전달이 있는 경우이다.

도 3, 도 4 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는 단위셀(11)이 적층되어 제공되는 연료전지 스택(10), 상기 연료전지 스택(10)의 상부와 하부에 제공되는 엔드판(20) 및 상기 엔드판(20)과 상기 연료전지 스택(10) 사이에 제공되며, 공기 또는 연료가 유입되는 공급 매니폴드 홀(31) 복수 개를 개방되게 형성하여, 복수의 상기 공급 매니폴드 홀(31) 사이의 유량을 조정하게 제공되는 더미 분리판(30)을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 더미 분리판(30)의 적어도 하나는 상기 공급 매니폴드 홀(31)만을 형성하여 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 더미 분리판(30)은 적층되어 제공되는 상기 단위셀(11) 사이에도 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 더미 분리판(30)은 복수의 상기 공급 매니폴드 홀(31)에서 유입된 공기 또는 연료가 경유하는 공간을 제공하는 바이패스부(32)를 더 제공하며, 상기 공급 매니폴드 홀(31)은 상기 바이패스부(32)의 양단부에 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 공급 매니폴드 홀(31)은 상기 바이패스부(32)의 일단부에 복수 개가 제공될 수 있다.

상기 연료전지 스택(10)은 단위셀(11)이 적층되게 제공되어, 전류를 생산하는 역할을 할 수 있다.

여기서, 상기 단위셀(11)에는 연료극과 공기극을 제공하며, 상기 연료극과 공기극 사이에는 전해질막이 제공될 수 있다. 상기 연료극으로는 수소를 포함한 연료가 공급되고, 상기 공기극으로는 산소를 포함한 공기가 공급되게 된다.

특히, 상기 연료극 또는 상기 공기극으로 연료 내지 공기가 분산되어 제공되기 위해서, 분리판이 제공될 수 있으며, 상기 분리판은 복수의 상기 단위셀(11) 사이에 제공될 수 있다.

한편, 상기 단위셀(11)로 연료 또는 공기를 분배하지 않으면서도 상기 연료전지 스택(10)에 연계되어 제공되는 더미 분리판(30)이 더 있을 수 있다.

본 발명에서도 후술할 엔드판(20)과 연료전지 스택(10) 사이에 하나 이상의 더미 분리판(30)을 구비할 수 있는데, 이에 대한 설명은 후술한다.

상기 엔드판(20)은 상기 연료전지 스택(10)의 양단부 외면에 제공되어, 상기 연료전지 스택(10)을 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다.

즉, 연료전지 스택(10)의 상하부에는 상당히 두꺼운 상부 엔드판(21)과 하부 엔드판(22)이 구비되는데, 상기 엔드판(20)은 스택 전체의 면압 유지와 가스공급을 위한 매니폴드 사이를 연결하는 역할을 수행한다.

그러나, 이러한 상부 및 하부 엔드판(22)은 연료전지 내에서 면압분포가 일정하지 못하게 한다. 즉, 연료전지 스택(10)의 상부 및 하부에 아주 두꺼운 엔드판(20)이 배치됨으로 인해 스택 중간 부분에 위치한 단위셀(11)과 상부 및 하부 측에 위치한 단위셀(11)은 서로 다른 응력을 받게 되어 면압분포를 상이하게 하는 것이다.

이러한 면압분포의 차이는 상온에서 단위셀(11)을 적층하여 스택을 형성할 때 뿐만 아니라, 전처리 승온 과정과 수평 및 수직 방향으로 온도구배를 가지게 되는 운전시에도 발생할 수 있다.

즉, 연료전지 작동시에는 연료전지 스택(10) 상하부에 위치하는 분리판에 추가의 압력이 걸리게 되며, 이는 장기운전이나 열사이클 과정에서 분리판 또는 단위셀(11)에 무리한 압력을 가하게 되어 연료전지 스택(10) 안정성에 문제를 야기시킬 가능성이 높아지게 된다.

이와 같이, 상기 연료전지 스택(10)의 단위셀(11)에 대한 면압분포를 일정하게 하기 위해서, 더미 분리판(30)이 상기 엔드판(20)과 연료전지 스택(10) 사이에 제공되게 되는데, 이에 대한 설명은 후술한다.

상기 더미 분리판(30)은 상기 연료전지 스택(10)에 가해지는 면압을 일정하게 하기 위한 완충역할을 할 수 있다. 즉, 연료전지 내에 더미 분리판(30)을 구비함으로써, 연료전지 스택(10) 내에 작용하는 면압 집중 현상을 완화시켜 연료전지 스택(10) 안정성을 향상시킬 수 있다.

보다 상세하게는, 연료전지 스택(10)의 상부 및 하부가 상대적으로 두꺼운 엔드판(20)과 직접 접촉하는 것을 피하고, 상기 엔드판(20)에 비하여 상대적으로 얇은 더미 분리판(30)을 삽입시켜 단위셀(11)과 접촉하도록 함으로써, 면압 분포를 일정하게 할 수 있는 것이다.

이러한 더미 분리판(30)은 적어도 하나 이상 구비되는 것이 바람직하며, 그 수가 많을수록 좋다. 이에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술한다.

다만, 상기 더미 분리판(30)이 과도하게 많을 경우에는 효과 대비 경제성이 떨어지게 되므로, 연료전지 스택(10)의 두께, 연료전지 스택(10) 내 단위셀(11)의 수, 분리판의 재질 등을 고려하여 적정 수의 더미 분리판(30)을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 더미 분리판(30)에는 연료 또는 공기가 이동하는 매니폴드 홀이 형성될 수 있으며, 상기 매니폴드 홀 중에서 상기 연료 또는 공기가 공급되는 공급 매니폴드 홀(31)은 상기 더미 분리판(30)의 내측으로 이동하게 개방되어 제공될 수 있다.

이에 의하면, 상기 더미 분리판(30)에 제공되는 복수의 상기 공급 매니폴드 홀(31)은 유입되는 연료 또는 공기의 유량이 서로 다른 공급 매니폴드 홀(31) 사이의 유량을 조정할 수 있다.

즉, 상기 더미 분리판(30)은 연료 또는 공기가 유입되는 복수의 공급 매니폴드 홀(31)만이 개방되어 제공될 수 있으며, 상기 더미 분리판(30)의 중앙에는 상기 공급 매니폴드 홀(31)에서 공급된 연료 또는 공기가 경유할 수 있는 공간인 바이패스부(32)가 제공될 수 있다.

복수의 상기 공급 매니폴드 홀(31) 중에서 유입시키는 연료 또는 공기의 유량이 다른 공급 매니폴드 홀(31)이 있으면, 상기 바이패스부(32)로 경유되어 제공되어 보충 또는 배출될 수 있게 된다.

도 4의 (a)를 참조하여 설명하면, 하나의 더미 분리판(30)에는 연료 또는 공기가 유입되는 공급 매니폴드 홀(31)만이 개방되어 상기 바이패스부(32)로 상기 연료 또는 공기를 유입시킬 수 있게 제공할 수 있다.

그리고, 복수의 상기 공급 매니폴드 홀(31)에서 유입되는 상기 연료 또는 공기의 유량이 다른 경우, 즉, 우측의 두 개의 공급 매니폴드 홀(31)에서는 초기에 35%의 연료 또는 공기가 유입되고, 좌측의 두 개의 공급 매니폴드 홀(31)에서는 초기에 15%의 연료 또는 공기가 유입되는 조건의 유량 변동을 나타내고 있다.

전술한 조건에서, 유량에 따른 유압도 다르기 때문에, 유압이 상대적으로 큰 좌측의 두 개의 공급 매니폴드 홀(31)에서 유입되는 연료 또는 공기는 상기 바이패스부(32)로 이동하게 된다.

특히, 이동되는 유량은 우측의 두 개의 공급 매니폴드 홀(31)과의 유압차이의 절반인 10%가 되며, 이렇게 상기 바이패스부(32)로 유입된 10%의 연료 또는 공기는 반대인 우측의 공급 매니폴드 홀(31)로 공급되어 상기 바이패스부(32)를 빠져 나가게 된다.

이렇게 10%의 유량이 우측의 두 개의 공급 매니폴드 홀(31)로 제공됨으로써, 상기 더미 분리판(30)을 빠져나가는 최종 유량은 좌측과 우측의 공급 매니폴드 홀(31) 모두 25%가 될 수 있다.

이와 같이, 유량이 균일하게 조정되는 효과는 도 4의 (b)와 같이 동일한 좌 측 또는 우측에 제공되는 공급 매니폴드 홀(31) 사이에서도 형성될 수 있으며, 이에 대한 설명은 전술한 원리와 동일하다.

그리고, 이렇게 균일한 유량 분배의 효과가 있는 상기 더미 분리판(30)은, 상기 엔드판(20)과 연료전지 스택(10) 사이에 제공되는 것이 바람직하나, 상기 연료전지 스택(10)의 상기 단위셀(11) 사이에 제공됨으로써, 균일 유량 분배의 효과가 직접적으로 단위셀(11)에 미칠 수 있도록 제공할 수도 있다.

더하여, 균일한 유량 분배의 효과가 있는 상기 더미 분리판(30)을 복수 개로 제공하여, 균일 유량 분배의 효과를 더 크게 할 수 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술한다.

그리고, 하나의 더미 분리판(30)에 상기 공급 매니폴드 홀(31)을 더 많이 형성하면, 상기 더미 분리판(30)은 균일 유량 분배의 효과를 증가시킬 수 있는데, 이를 위해 상기 바이패스부(32)의 일단부에 상기 공급 매니폴드 홀(31)을 복수 개 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 더미 분리판(30)과 연료전지 스택(10)에 포함되는 분리판은 다른 재질일 수 있다. 그러나, 이와 같은 경우에는 연료전지 제조시 상기 분리판과 더미 분리판(30)이 받는 하중이 상이할 수 있어 스택 안정성을 안정적으로 확보하기 곤란할 수 있다. 따라서, 상기 더미 분리판(30)은 연료전지 스택(10) 내 분리판과 동일한 재질인 것이 바람직하다.

또한, 연료전지 가동시에는 높은 온도에 의해 열변형을 받게 되는데, 상기 분리판과 더미 분리판(30)이 다른 재질일 경우에는 그 변형량이 상이할 수 있으므로, 연료전지의 사용수명이 단축될 수 있는바, 동일 재질로 제공하는 것이 바람직할 것이다.

나아가, 상기 분리판과 더미 분리판(30)을 각각 제조해야 하기 때문에, 생산성이 저하되고 제조 비용이 증가할 수 있는 단점이 있다. 따라서, 스택안정성을 확보하고, 경제성을 향상시키기 위해서는 상기 분리판과 더미 분리판(30)은 동일한 재질인 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 연료전지에서 더미 분리판(30)을 여러층 포함하는 경우에 균일한 유량분포로 조정되는 것을 도시한 사시도로써, 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 더미 분리판(30)은 복수 개가 연속으로 적층되어 제공될 수 있다.

즉, 상기 더미 분리판(30)을 제공하여 상기 더미 분리판(30)으로 공급되는 연료 또는 공기의 유량을 조정하여 균일 유량으로 제공하는 것은, 복수의 상기 공급 매니폴드 홀(31)로 유입되는 연료 또는 공기의 유량 차에 의한 유압 차이에 의한 것이므로, 하나의 더미 분리판(30)만을 제공할 경우에는 균일 유량의 분배가 완벽하게 형성되지 않을 수도 있다.

따라서, 상기 더미 분리판(30)을 복수 개 제공함으로써, 균일 유량 분배의 효과를 더 높일 수 있는 것이다.

일례로, 도 5에 도시된 바와 같이 초기 적층된 더미 분리판(30)은 5%의 유량만을 균일 조정하고, 다음에 적층된 더미 분리판(30)은 나머지 5%의 유량을 균일하게 조정함으로써, 균일 유량의 효과를 확실하게 보정할 수 있는 것이다.

10: 연료전지 스택 11: 단위셀
20: 엔드판 21: 상부 엔드판
22: 하부 엔드판 30: 더미 분리판
31: 공급 매니폴드 홀 32: 바이패스부

Claims

단위셀이 적층되어 제공되는 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택의 상부와 하부에 제공되는 엔드판; 및
상기 엔드판과 상기 연료전지 스택 사이에 제공되며, 공기 또는 연료가 유입되는 공급 매니폴드 홀 복수 개를 개방되게 형성하여, 복수의 상기 공급 매니폴드 홀 사이의 유량을 조정하게 제공되는 더미 분리판;
을 포함하는 연료전지.
제1항에 있어서,
상기 더미 분리판의 적어도 하나는 상기 공급 매니폴드 홀만을 형성하여 제공하는 연료전지.
제1항에 있어서,
상기 더미 분리판은 복수 개가 연속으로 적층되어 제공되는 연료전지.
제1항에 있어서,
상기 더미 분리판은 적층되어 제공되는 상기 단위셀 사이에도 제공되는 연료전지.
제1항에 있어서,
상기 더미 분리판은, 복수의 상기 공급 매니폴드 홀에서 유입된 공기 또는 연료가 경유하는 공간을 제공하는 바이패스부;
를 더 제공하며,
상기 공급 매니폴드 홀은 상기 바이패스부의 양단부에 제공되는 연료전지.
제5항에 있어서,
상기 공급 매니폴드 홀은 상기 바이패스부의 일단부에 복수 개가 제공되는 연료전지.