KR101550928B1 - 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 전체 표면을 밀봉체로 밀봉하고, 스택과 밀봉체 사이를 진공으로 만들어줌으로써, 연료전지 스택의 결빙을 방지할 수 있도록 한 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택의 전체 표면을 기밀 유지를 위한 밀봉체로 밀봉하고, 연료전지 셧다운시 스택과 밀봉체간의 내부공간에 잔존하는 산소를 산소제거수단으로 제거하여, 스택과 밀봉체간의 내부공간이 단열을 위한 진공 상태가 되도록 한 것을 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택을 제공한다.

연료전지 스택, 진공, 단열, 밀봉체, 결빙, 방지, 산소

Description

진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택{Fuel cell stack having enclosure}

본 발명은 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 전체 표면을 밀봉체로 밀봉하고, 스택과 밀봉체 사이를 진공으로 만들어줌으로써, 연료전지 스택의 결빙을 방지할 수 있도록 한 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지 스택의 구성을 첨부한 도 2를 참조로 살펴보면, 가장 안쪽에 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 전극막 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(10)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(12: cathode) 및 연료극(14: anode)으로 구성되어 있다.

또한, 상기 전극막의 바깥 부분, 즉 공기극(12) 및 연료극(14)이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(16) 및 개스킷(Gasket)(18)이 차례로 적층되고, 상기 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트(End plate)(30)가 결합된다.

따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극(14)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 공기극(12)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(12)에서는 연료극(14)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.

최종 생성된 전기에너지는 상기 엔드플레이트(30)의 집전판(미도시됨)을 통하여 전기에너지를 요하는 부하로 공급된다.

현재 개발되고 있는 수소 연료전지 자동차에는 해결해야 할 문제점들이 많이 남아 있는데, 그 중 가장 시급하고도 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략에 있으며, 냉시동성 확보를 위한 해결책의 일환으로서, 히터를 이용하여 스택내의 순수를 급속해동하는 방법과, 연료전지 스택용 부동액을 냉각수로 사용하는 방법 등이 있으며, 그 밖에 여러가지 방법이 시도되고 있다.

이러한 냉시동성 확보 방법에도 불구하고, 연료전지 자동차가 영하의 저온 환경에 방치되면 연료전지 스택의 온도로 영하로 떨어지게 되어, 결국 연료전지 스택의 동결로 이어지는 문제점이 있다.

이에, 잦은 연료전지 스택의 동결을 막기 위해 단열재를 이용하여 스택을 감싸주는 단열방법이 적용되기도 하지만, 단열 효과가 크지 않을 뿐더러 단열재 사용에 따른 원가 상승만을 초래하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택의 전체 표면을 박스 형태의 밀봉체로 기밀 유지되게 밀봉하고, 연료전지 셧다운시 스택과 밀봉체 사이공간에 잔존하는 산소를 제거하여 진공으로 만들어줌으로써, 진공 단열에 의한 보온 효과를 통해 연료전지 스택의 결빙을 방지할 수 있도록 한 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택의 전체 표면을 기밀 유지를 위한 밀봉체로 밀봉하고, 연료전지 셧다운시 스택과 밀봉체간의 내부공간에 잔존하는 산소를 산소제거수단으로 제거하여, 스택과 밀봉체간의 내부공간이 단열을 위한 진공 상태가 되도록 한 것을 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택을 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 산소제거수단은 연료전지 스택에 연결되어, 스택의 전기에너지를 열에너지로 소비하며 공기극내 산소를 제거하는 COD 겸용 히터인 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 연료전지 스택의 연료극 입출구에는 밀봉체를 관통하여 수소 공급용 배관과 수소 퍼지용 배관이 직접 연결되고, 상기 연료전지 스택의 공기극 입구에도 밀봉체를 관통하여 공기 공급용 배관이 직접 연결되며, 공기 배출용 배관은 밀봉체에만 연결되어 공기극 출구가 스택과 밀봉체간의 내부공간과 연통되도록 한 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 밀봉체의 하단 소정 위치에는 생성수 배출을 위한 워터트랩이 장착된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 전체 표면을 박스 형태의 밀봉체로 기밀 유지되게 밀봉하고, 연료전지 셧다운시 스택의 공기극내 산소 및 스택과 밀봉체 사이공간내의 잔존 산소를 제거하여, 스택과 밀봉체간의 내부공간이 음압에 의한 진공상태가 되도록 함으로써, 연료전지 스택에 진공 단열에 의한 보온 효과를 제공하여 연료전지 스택의 결빙을 방지할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택을 나타내는 개략도이다.

본 발명은 연료전지 스택(100)의 전체 표면을 기밀 유지가 가능한 박스 형태의 밀봉체(200)로 밀봉하고, 연료전지 셧다운시 스택의 공기극내 잔존하는 산소, 그리고 스택(100)과 밀봉체(200) 사이의 내부공간내에 잔존하는 산소를 제거해줌으로써, 스택과 밀봉체간의 내부공간(202)을 단열을 위한 음압의 진공상태로 만들어주는 점에 주안점이 있다.

연료전지 스택(100)의 전체 표면을 밀봉하는 밀봉체(200)는 기밀 유지를 위한 어떠한 재질도 채택 가능하며, 바람직하게는 가스 및 물이 새지 않는 기밀 유지용 재질이면서 단열 기능을 갖는 재질이 바람직하다.

따라서, 연료전지 스택(100)의 전체 표면에 걸쳐 일정한 거리를 유지하면서 박스 형태의 밀봉체(200)로 밀봉을 함으로써, 스택(100)의 표면과 밀봉체(200)의 내표면 사이에는 밀폐된 내부공간(202)이 형성된다.

상기 연료전지 스택(100)에는 수소 공급 및 퍼지, 그리고 공기 공급 및 배출을 위한 배관이 연결되는 바, 수소 공급용 배관(102) 및 수소 퍼지용 배관(104)은 밀봉체(200)를 관통하여 연료전지 스택(100)의 연료극 입출구에 각각 연결된다.

또한, 상기 공기 공급용 배관(106)도 밀봉체(200)를 관통하여 연료전지 스택(100)의 공기극 입구에 연결되며, 특히 상기 공기 배출용 배관(108)은 밀봉체(200)에만 연결된다.

이와 같이, 스택(100)에 대한 수소 공급 및 퍼지용 배관(102,104)은 기존과 동일한 방식으로 연결되고, 스택(100) 입구로 연결되는 공기 공급용 배관(106)도 기존과 동일한 방법으로 연결되나, 공기 배출용 배관(108)은 스택(100) 출구에 직접 연결되지 않고, 밀봉체(200)에 연결되도록 한다.

보다 상세하게는, 연료전지 스택(100)의 공기극 출구에 공기 배출용 배관(108)을 직접 연결시키지 않고, 밀봉체(200)에만 연결시켜 줌으로써, 스택(100)의 공기극 출구가 스택(100)과 밀봉체(200) 사이의 밀폐된 내부공간(202)과 연통되도록 한다.

이때, 상기 수소 공급용 배관(102) 및 수소 퍼지용 배관(104), 그리고 공기 공급용 배관(106) 및 공기 배출용 배관(108)이 관통되는 밀봉체(200)의 관통부위는 기밀이 유지되도록 별도의 실링 처리를 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 연료전지 스택(100)에 COD(Cathode Oxygen Depletion) 겸용 히터(110)를 연결하여, 연료전지 셧다운시 공기극내 산소를 제거할 수 있도록 한다.

즉, 본 발명에 따른 COD 겸용 히터(110)는 연료전지 차량의 스타트 업 및 셧다운시 연료극의 수소와 공기극의 산소를 반응시켜 발생하는 전기에너지를 열에너지로 소비시켜, 산소를 제거하는 역할을 하게 된다.

따라서, 차량의 셧다운시 수소 공급용 배관(102)을 통해 스택(100)에 수소를 공급하면서, 공기 공급용 배관(106) 및 공기 배출용 배관(108)에 각각 장착된 공기공급밸브(112) 및 공기배출밸브(114)를 닫아준 상태에서 COD 겸용 히터(110)의 작동에 의하여 공기극내의 산소가 사라지게 되고, 산소가 사라짐에 따라 연료전지의 공기극내에 음압이 걸린다.

즉, 연료전지 차량의 셧다운시 연료극의 잔존 수소와 공기극의 잔존 산소를 반응시켜 발생하는 스택의 전기에너지가 상기 COD 겸용 히터(110)에 전원으로 공급되면, COD 겸용 히터(110)는 발열을 하게 되므로, 결국 공기극내의 산소가 제거되면서 공기극내에 음압이 걸리게 된다.

또한, 상기 공기극 출구는 스택(100)과 밀봉체(200) 사이의 밀폐된 내부공간(202)과 연통되는 상태이므로, 스택(100)과 밀봉체(200) 사이의 내부공간도 넓은 의미의 공기극 채널 역할을 하게 되므로, 상기와 같은 COD 겸용 히터(110)의 작동에 의하여 연료전지의 공기극내 산소 뿐만 아니라 스택(100)과 밀봉체(200) 사이의 내부공간(202)에 잔존하던 산소도 함께 사라지게 된다.

이러한 상태에서, 수소 공급용 배관(102) 및 수소 퍼지용 배관(104)에 장착된 수소공급밸브(116) 및 수소퍼지밸브(118)를 닫아주게 되면, 더 이상의 전기에너지 생성을 위한 수소와 산소간의 반응이 일어나지 않게 되므로, 스택(100)과 밀봉체(200) 사이의 내부공간(202)은 산소의 부피비 만큼 음압이 지속되어지고, 이렇게 생성된 음압 즉, 진공은 일종의 단열막 역할을 하게 되므로, 결국 연료전지 스택의 보온효과가 지속될 수 있다.

이와 같이, 상기 밀봉체(200)의 진공 단열 효과로 인하여, 연료전지 스택(100)의 온도가 쉽게 떨어지지 않게 되어, 스택의 결빙 횟수를 크게 줄일 수 있다.

한편, 상기 밀봉체(200)의 하단 소정 위치에는 생성수 배출을 위한 워터트 랩(300)을 장착하는 것이 바람직하다.

즉, 연료전지 스택(100)에서 발생된 물이 밀봉체(200)로부터 낙하되어 워터트랩(300)내에 일정량 이상의 물이 저장되면, 이를 워터트랩내의 최고수위 감지센서(302)에서 감지하여 워트트랩(300) 바닥쪽의 드레인 밸브(304)가 열리게 되어, 물이 외부로 배출되도록 하고, 반면에 워터트랩(300)내의 물이 일정량 방출된 후, 물의 최저수위를 최저수위 감지센서(306)에서 감지하여 워트트랩 바닥쪽의 드레인 밸브(304)가 닫히게 되어, 워터트랩(300)내에 최소한의 물이 잔류되도록 한다.

이에, 항상 대기(드레인 밸브쪽)와 맞닿는 쪽이 잔류된 물이 되도록 함으로써, 잔류된 물이 기밀을 유지하는 역할을 하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택을 나타내는 개략도,

도 2는 통상의 연료전지 스택에 대한 구성을 설명하는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 전해질막 12 : 공기극

14 : 연료극 16 : 가스확산층

18 : 개스킷 20 : 분리판

30 : 엔드 플레이트 100 : 연료전지 스택

200 : 밀봉체 202 ; 내부공간

102 : 수소 공급용 배관 104 : 수소 퍼지용 배관

106 : 공기 공급용 배관 108 : 공기 배출용 배관

110 : COD 겸용 히터 112 : 공기공급밸브

114 : 공기배출밸브 116 : 수소공급밸브

118 : 수소퍼지밸브 300 : 워터트랩

302 : 최고수위 감지센서 304 : 드레인 밸브

306 : 최저수위 감지센서

Claims (4)

1. 연료전지 스택의 전체 표면을 기밀 유지를 위한 밀봉체로 밀봉하고, 연료전지 셧다운시 스택과 밀봉체간의 내부공간에 잔존하는 산소를 산소제거수단으로 제거하여, 스택과 밀봉체간의 내부공간이 단열을 위한 진공 상태가 되도록 하고,

   상기 연료전지 스택의 연료극 입출구에는 밀봉체를 관통하여 수소 공급용 배관과 수소 퍼지용 배관이 직접 연결되고, 상기 연료전지 스택의 공기극 입구에도 밀봉체를 관통하여 공기 공급용 배관이 직접 연결되며, 공기 배출용 배관은 밀봉체에만 연결되어 공기극 출구가 스택과 밀봉체간의 내부공간과 연통되도록 한 것을 특징으로 하는 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 산소제거수단은 연료전지 스택에 연결되어, 스택의 전기에너지를 열에너지로 소비하며 공기극내 산소를 제거하는 COD 겸용 히터인 것을 특징으로 하는 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 밀봉체의 하단 소정 위치에는 생성수 배출을 위한 워터트랩이 장착된 것을 특징으로 하는 진공 단열용 밀봉체를 갖는 연료전지 스택.

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