KR101664382B1 - 스택 온도 균일화를 위한 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택, 그 온도 제어 방법 및 기록 매체 - Google Patents

스택 온도 균일화를 위한 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택, 그 온도 제어 방법 및 기록 매체 Download PDF

Info

Publication number
KR101664382B1
KR101664382B1 KR1020160017738A KR20160017738A KR101664382B1 KR 101664382 B1 KR101664382 B1 KR 101664382B1 KR 1020160017738 A KR1020160017738 A KR 1020160017738A KR 20160017738 A KR20160017738 A KR 20160017738A KR 101664382 B1 KR101664382 B1 KR 101664382B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
temperature
cooling plate
independent cooling
refrigerant
cell unit
Prior art date
Application number
KR1020160017738A
Other languages
English (en)
Inventor
김민진
손영준
김지훈
김승곤
박구곤
배병찬
임성대
박석희
양태현
이원용
김창수
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020160017738A priority Critical patent/KR101664382B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101664382B1 publication Critical patent/KR101664382B1/ko
Priority to EP17155786.1A priority patent/EP3208875A1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04417—Pressure; Ambient pressure; Flow of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04723—Temperature of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04731—Temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04768—Pressure; Flow of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2418—Grouping by arranging unit cells in a plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/521—
    • Y02E60/525—

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

실시 예에 따르면 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택은, 복수 개의 셀 유닛; 상기 복수 개의 셀 유닛의 상면에 각각 배치되는 복수 개의 제 1 독립형 냉각판과, 상기 복수 개의 셀 유닛의 하면에 각각 배치되는 복수 개의 제 2 독립형 냉각판을 포함하는 냉각 어셈블리; 상기 복수 개의 셀 유닛 및 냉각 어셈블리를 지지하기 위한 지지 어셈블리; 및 상기 복수 개의 제 1 독립형 냉각판 및 상기 복수 개의 제 2 독립형 냉각판 중 하나 이상의 독립형 냉각판에 설치되는 적어도 하나 이상의 온도 센서를 포함할 수 있다.

Description

스택 온도 균일화를 위한 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택, 그 온도 제어 방법 및 기록 매체{HIGH-TEMPERATURE POLYMER ELECTROLYTE MEMBERANCE FUEL CELL STACK FOR IMPROVING THE TEMPERATURE DISTRIBUTION OF THEREOF, METHOD OF CONTROLLING A TEMPERATURE OF THE HIGH-TEMPERATURE POLYMER ELECTROLYTE MEMBERANCE FUEL CELL STACK AND MEDIUM THREREOF}
아래의 설명은 스택 온도 균일화를 위한 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택, 그 온도 제어 방법 및 기록 매체에 관한 것이다.
연료 전지는 고효율, 친환경, 높은 출력밀도 등과 같은 장점을 가지고 있어 유망한 미래 청정 에너지기술로 많은 관심을 받고 있다. 기존의 저온 고분자 전해질 막 연료 전지(Low-Temperature Polymer electrolyte membrane fuel cell, LT-PEMFC)가 상용화 어려움을 겪고 있는 원인은 여러 가지가 있다. 저온 고분자 전해질 막 연료 전지를 운전하기 위해서는 가습기, 수분 트랩 등과 같은 물 관리 시스템이 필요하다. 또한 연료 공급의 어려움 및 특정 불순물의 농도가 낮은 수소를 사용해야 하는 단점이 있으며, 저온 고분자 전해질 막 연료 전지의 운전을 통해 얻을 수 있는 열은 배열온도가 낮아 사용 목적이 제한적이다. 저온 고분자 전해질 막 연료 전지의 대안으로 고온 고분자 전해질 막 연료 전지(HT-PEMFC)의 연구가 활발히 진행 되고 있다. 고온 고분자 전해질 막 연료 전지는 인산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)계 전해질 막을 사용하여 별도의 가습 없이 운전이 가능하며, 연료 전지 운전을 통해 발생하는 물이 증기 형태로 발생하기 때문에 별도의 수분트랩이 필요하지 않다. 또한 고온 고분자 전해질 막 연료 전지를 150 ~ 180의 운전 온도에서 CO의 피독으로 인한 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)의 성능저하 현상이 현저히 감소하여 CO농도 3%까지 내성을 가지게 된다. 이러한 현상으로 인해 수소개질과정에서 CO제거공정을 최소화 할 수 있다. 또한 100에 가까운 높은 배열온도를 얻을 수 있어 열에너지의 활용도가 높다.
하지만 고온 고분자 전해질 막 연료 전지는 아직 많은 기술 개발이 필요하다. 이론적으로 높은 전기화학 반응 속도를 갖으나 실제 개발된 고온 고분자 전해질 막 연료 전지의 성능은 저온 고분자 전해질 막 연료 전지의 성능에 다소 미치지 못한다. 또한 인산노출 및 고온의 가혹한 운전 조건으로 인해 내구성이 취약하며 수명이 짧은 단점이 있다.
예를 들면, 고온의 운전 조건 하에서 연료 전지의 일부에 파손이 생기면, 냉매가 막 전극 접합체(MEA)로 침투됨으로써, 연료 전지 스택의 성능이 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 냉매로 사용되는 오일은 물에 비하여 높은 점성을 가지므로, 오일이 순환 경로 상에서 높은 차압을 일으키게 되고, 이 또한 연료 전지의 파손을 일으키는 문제점이 되어 왔다. 또한, 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 경우, 저온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택에 비하여 내부의 온도 편차가 심하기 때문에, 온도 관리에 따라 연료 전지 스택의 성능, 열화 정도 및 수명이 크게 달라지는 문제점이 있었다.
실시 예의 목적은 충분한 내구성을 가지면서 성능이 뛰어난 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택을 제공하는 것이다. 실시 예의 또 다른 목적은 스택의 온도 분포 균일도를 향상시킬 수 있는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
실시 예에 따르면 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택은, 복수 개의 셀 유닛; 상기 복수 개의 셀 유닛의 상면에 각각 배치되는 복수 개의 제 1 독립형 냉각판과, 상기 복수 개의 셀 유닛의 하면에 각각 배치되는 복수 개의 제 2 독립형 냉각판을 포함하는 냉각 어셈블리; 상기 복수 개의 셀 유닛 및 냉각 어셈블리를 지지하기 위한 지지 어셈블리; 및 상기 복수 개의 제 1 독립형 냉각판 및 상기 복수 개의 제 2 독립형 냉각판 중 하나 이상의 독립형 냉각판에 설치되는 적어도 하나 이상의 온도 센서를 포함할 수 있다.
상기 셀 유닛은, 복수 개의 분리판이 적층되어 구성될 수 있다.
상기 복수 개의 분리판은 각각, 수소가 유동되는 수소 유로와, 공기가 유동되는 공기 유로를 포함하고, 냉매가 유동되는 냉매 유로는 포함하지 않을 수 있다.
상기 제 1 독립형 냉각판 및 제 2 독립형 냉각판 각각의 재질은, 상기 셀 유닛의 재질보다 강도가 높은 금속 재질로 형성될 수 있다.
상기 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택은, 상기 제 1 독립형 냉각판 및 상기 셀 유닛의 상면 사이에 배치되는 제 1 완충 레이어; 및 상기 제 2 독립형 냉각판 및 상기 셀 유닛의 하면 사이에 배치되는 제 2 완충 레이어를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 완충 레이어 또는 상기 제 2 완충 레이어는, 기체확산층(GDL), 미세다공층(MPL)이 적층된 기체확산층(GDL), 그라포일 및 메탈 폼으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나의 재질로 형성될 수 있다.
상기 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택은, 상기 제 1 독립형 냉각판 및 제 2 독립형 냉각판 중 하나 이상으로 유입되는 냉매의 유량 또는 온도를 조절하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 온도 센서에서 감지된 값을 기초로 상기 냉매의 유량 또는 온도를 제어할 수 있다.
상기 온도 센서는, 열전대(thermal couple)일 수 있다.
실시 예에 따르면 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제어 방법은, 셀 유닛을 냉각시키기 위한 복수 개의 냉각판에 각각 설치된 복수 개의 온도 센서를 이용하여 온도를 감지하는 단계; 상기 복수 개의 온도 센서에서 감지된 온도로부터 최소 온도(T_min) 및 최대 온도(T_max)를 결정하는 단계; 및 상기 최소 온도(T_min) 및 최대 온도(T_max) 정보를 기초로 상기 복수 개의 냉각판으로 유입되는 냉매의 유량 또는 온도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제어 방법은, 상기 최소 온도(T_min)가 제 1 설정 온도(T1)보다 높은지 여부를 결정하는 단계; 및 상기 최대 온도(T_max)가 상기 제 1 설정 온도(T1)보다 높은 제 2 설정 온도(T2)보다 낮은지 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제어 방법은, 상기 최소 온도(T_min) 및 최대 온도(T_max)로부터 최대 온도 편차(ΔT)를 연산하는 단계; 및 상기 최대 온도 편차(ΔT)가 설정 온도 편차(ΔT1)보다 낮은지 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에는, 셀 유닛을 냉각시키기 위한 복수 개의 냉각판에 각각 설치된 복수 개의 온도 센서를 이용하여 온도를 감지하는 단계; 상기 복수 개의 온도 센서에서 감지된 온도로부터 최소 온도(T_min) 및 최대 온도(T_max)를 결정하는 단계; 및 상기 최소 온도(T_min) 및 최대 온도(T_max) 정보를 기초로 상기 복수 개의 냉각판으로 유입되는 냉매의 유량 또는 온도를 제어하는 단계를 포함하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제어 방법을 수행하는 프로그램이 기록될 수 있다.
실시 예에 따르면, 새로운 형태의 냉각판을 이용함으로써 내구성이 뛰어나고, 높은 성능을 가질 수 있다. 또한, 새로운 형태의 냉각판에 부착된 열전대(thermo couple)를 이용함으로써, 스택의 온도 분포 균일도를 향상시킴으로써, 연료 전지 스택의 성능, 열화 정도 및 수명을 균일하게 관리할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 정면도이다.
도 2는 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택을 구성하는 지지 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택을 구성하는 셀 유닛 및 냉각판을 나타내는 도면이다.
도 4는 실시 예에 따른 엔드 플레이트의 상면도이다.
도 5는 실시 예에 따른 제 1 독립형 냉각판의 상면도이다.
도 6은 실시 예에 따른 제 2 독립형 냉각판의 상면도이다.
도 7은 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 다른 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 정면도이고, 도 2는 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택을 구성하는 지지 어셈블리를 나타내는 도면이고, 도 3은 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택을 구성하는 셀 유닛 및 냉각판을 나타내는 도면이다. 도 3은 도 1의 A부분 중 클램핑 바(112)를 생략한 도면이다.
도 4는 실시 예에 따른 엔드 플레이트의 상면도이고, 도 5는 실시 예에 따른 제 1 독립형 냉각판의 상면도이고, 도 6은 실시 예에 따른 제 2 독립형 냉각판의 상면도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택(10, 이하, "고온 PEMFC 스택"이라고 함)은, 지지 어셈블리(11), 셀 유닛(12), 냉각 어셈블리(13) 및 생산된 전류를 외부로 제공하기 위한 전류 집전체(14)를 포함할 수 있다.
지지 어셈블리(11)는, 복수 개의 셀 유닛(12) 및 냉각 어셈블리(13)를 지지할 수 있다. 지지 어셈블리(11)는, 엔드 플레이트(110), 미들 엔드 플레이트(111), 클램핑 바(112) 및 릴리프 스프링(113)을 포함할 수 있다.
엔드 플레이트(110)는, 고온 PEMFC 스택(10)의 양 단부에 각각 체결되는 판으로써, 2개의 엔드 플레이트(110) 사이에 배치되는 다른 구성들을 가압할 수 있다. 엔드 플레이트(110)는, 제 1 냉각판(131)으로 유입되는 냉매를 안내하기 위한 제 1 냉매 유입 통로(132)가 통과하는 제 1 냉매 유입 포트(1102)와, 제 1 냉각판(131)으로부터 토출되는 냉매를 안내하기 위한 제 1 냉매 토출 통로(133)가 통과하는 제 1 냉매 토출 포트(1103)와, 제 2 냉각판(134)으로 유입되는 냉매를 안내하기 위한 제 2 냉매 유입 통로(135)가 통과하는 제 2 냉매 유입 포트(1105)와, 제 2 냉각판(134)으로부터 토출되는 냉매를 안내하기 위한 제 2 냉매 토출 통로(136)가 통과하는 제 2 냉매 토출 포트(1106)와, 셀 유닛(12)으로 유입되는 수소를 안내하기 위한 애노드 유입 포트(A_in)와, 셀 유닛(12)으로 유입되는 공기를 안내하기 위한 캐소드 유입 포트(C_in)와, 셀 유닛(12)으로부터 토출되는 수소를 안내하기 위한 애노드 토출 포트(A_out)와, 셀 유닛(12)으로부터 토출되는 공기를 안내하기 위한 캐소드 토출 포트(C_out)와, 클램핑 바(112)가 관통되는 클램핑 홀(h)을 포함할 수 있다.
엔드 플레이트(110)는 예를 들어, 최적의 공간 활용성을 위하여 사각형의 형상을 가질 수 있다. 이 경우 엔드 플레이트(110)의 어느 한 변에 제 1 냉매 유입 포트(1102) 및 제 1 냉매 토출 포트(1103)가 형성되고, 다른 한 변에 제 2 냉매 유입 포트(1105) 및 제 2 냉매 토출 포트(1106)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 냉매 유입 포트(1102) 및 제 1 냉매 토출 포트(1103)는, 제 2 냉매 유입 포트(1105) 및 제 2 냉매 토출 포트(1106)와 서로 마주보는 변에 배치될 수 있다.
복수 개의 클램핑 홀(h)은 엔드 플레이트(110)의 테두리를 따라서 이격 배치될 수 있다. 클램핑 홀(h)은, 예를 들어, 엔드 플레이트(110)의 모서리 부분마다 1개씩 배치되고, 모서리 사이에 적어도 하나 이상 배치될 수 있다.
미들 엔드 플레이트(111)는, 2개의 엔드 플레이트(110)의 중앙부에 배치되는 판으로써, 고정력을 보다 향상시킬 수 있다. 고온 PEMFC 스택(10)은 고온에서 운전되는 특성상, 저온 PEMFC 스택에 비하여 열팽창의 정도가 크다. 따라서, 셀 유닛(12)을 구성하는 분리판이 열팽창에 의해 파손될 위험성이 높아지게 된다. 위와 같은 문제점을 방지하기 위하여 분리판의 두께를 증가시킬 수 있다. 한편, 분리판이 두꺼워지게 되면 단순히 2개의 엔드 플레이트(110) 만으로 고정하기에 무리가 있으므로, 추가적으로 중앙에 미들 엔드 플레이트(111)를 삽입함으로써, 고정력을 향상시킬 수 있다.
클램핑 바(112)는, 2개의 엔드 플레이트(110) 사이에 체결되거나, 각각의 엔드 플레이트(110) 및 미들 엔드 플레이트(111) 사이에 체결됨으로써, 2개의 엔드 플레이트(110) 사이에 위치한 구성들을 고정시킬 수 있다. 클램핑 바(112)는, 2개의 엔드 플레이트(110) 사이에 위치한 구성들의 적어도 일부를 관통하도록 배치되어, 해당 구성들을 올바르게 정렬시킬 수 있다.
릴리프 스프링(113)은, 클램핑 바(112)의 끝 부분에 구비되어, 2개의 엔드 플레이트(110) 또는, 각각의 엔드 플레이트(110) 및 미들 엔드 플레이트(111) 사이에 위치한 구성들에 압력을 가할 수 있다. 릴리프 스프링(113)의 위치 및 길이를 조절함으로써, 셀 유닛(12)을 구성하는 분리판에 일정한 압력 분포가 가해지도록 할 수 있다.
셀 유닛(12)은, 복수 개의 분리판이 적층되어 구성될 수 있다. 예를 들면, 셀 유닛(12)은, 5개의 분리판이 적층되어 구성될 수 있다. 실시 예에서 셀 유닛(12)은, 2개의 냉각판(131, 134) 사이에 위치한 분리판의 집합체인 것으로 이해될 수 있다. 셀 유닛(12)은, 상하 방향으로 복수 개 적층될 수 있다. 셀 유닛(12)의 개수에 따라서, 전체 고온 PEMFC 스택(10)의 출력이 결정될 수 있다.
셀 유닛(12)을 구성하는 각각의 분리판은, 수소가 유동되는 수소 유로와, 공기가 유동되는 공기 유로를 포함하고, 냉매가 유동되는 냉매 유로는 포함하지 않을 수 있다. 후술하는 바와 같이 셀 유닛(12)에 냉매 유로를 형성되는 대신 독립형 냉각판을 이용한 냉각 어셈블리(13)를 통하여 냉각 기능을 수행할 수 있다.
냉각 어셈블리(13)는, 고온 PEMFC 스택(10)에서 발생되는 열을 제거하기 위한 것으로, 외부 매니폴드 방식으로 냉매를 유동시킴으로써, 셀 유닛(12)에서 발생되는 열을 제거할 수 있다. 셀 유닛(12)을 구성하는 분리판의 두께를 고려하여, 전체 스택(10)이 지나치게 두꺼워지지 않도록, 각각의 분리판 사이마다 냉각판을 삽입하는 대신, 복수 개의 분리판으로 구성되는 셀 유닛(12)의 상면 및 하면에 각각 냉각판(131, 134)을 삽입할 수 있다.
냉각 어셈블리(13)는, 복수 개의 셀 유닛(12)의 상면에 각각 배치되는 복수 개의 제 1 독립형 냉각판(131)과, 복수 개의 제 1 독립형 냉각판(131)으로 각각 유입되는 냉매를 안내하는 제 1 냉매 유입 통로(132)와, 복수 개의 제 1 독립형 냉각판(131)으로부터 각각 토출되는 냉매를 안내하는 제 1 냉매 토출 통로(133)와, 복수 개의 셀 유닛(12)의 하면에 각각 배치되는 복수 개의 제 2 독립형 냉각판(134)과, 복수 개의 제 2 독립형 냉각판(134)으로 각각 유입되는 냉매를 안내하는 제 2 냉매 유입 통로(135)와, 복수 개의 제 2 독립형 냉각판(134)으로부터 각각 토출되는 냉매를 안내하는 제 2 냉매 토출 통로(136)를 포함할 수 있다.
제 1 독립형 냉각판(131) 및 제 2 독립형 냉각판(134) 각각의 재질은, 셀 유닛(12)의 재질보다 강도가 높은 금속 재질, 예를 들면, SUS금속으로 형성될 수 있다. 이 경우, 기존의 냉각판에 비하여 기계적인 강도가 높아지므로, 고온의 운전 조건 하에서도 냉각판이 파손되는 문제를 방지할 수 있다.
기존의 경우, 분리판의 내부에 일체로 냉각 유로를 형성함으로써 내부 매니폴드형 냉각 구조를 갖도록 하였으나, 고온의 운전조건으로 인하여 냉각 유로가 파손되면서, 냉매가 누출되어 성능을 저하시키는 문제점이 있었다. 또 한편, 분리판으로는, 다공성 매질 및 다공성 매질을 메우는 엔지니어링 플라스틱의 혼합물로 이루어진 흑연판을 사용할 수 있다. 이 경우 저온 PEMFC 스택에서는 표면 장력이 높은 물을 냉매로 사용하므로 크게 문제되지 않으나, 고온 PEMFC 스택에서는 냉매로 비등점이 높은 오일을 사용하므로, 오일의 높은 온도 및 낮은 표면 장력으로 인하여 이종 재질로 이루어진 분리판 자체의 내부로 오일이 침투하여 스며드는 현상이 발생하므로 성능이 크게 저하되는 문제점이 있었다. 그러나 실시 예와 같이 셀 유닛(12)을 구성하는 각각의 분리판이 냉매 유로를 포함하지 않도록 외부 매니폴드형 냉각 방식을 갖추고, 기계적 강도가 높은 금속 재질로 이루어진 독립형 냉각판을 이용하면, 분리판의 파손 가능성을 현저히 낮출 수 있으며, 또한, 만약 파손되더라도 직접적으로 분리판으로 냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있으므로, 내구성이 월등하게 향상될 수 있다.
한편, 냉각판(131, 134) 및 셀 유닛(12)이 서로 다른 재질로 구성될 경우, 같은 재질로 구성되는 경우와 비교할 때에, 양 표면 사이에 접촉 저항이 크므로, 접촉 저항을 감소시키기 위하여, 냉각판(131, 134) 및 셀 유닛(12) 사이에 완충 레이어를 삽입할 수 있다. 즉, 실시 예에 따른 고온 PEMFC 스택(10)은, 제 1 독립형 냉각판(131) 및 셀 유닛(12)의 상면 사이에 배치되는 제 1 완충 레이어와, 제 2 독립형 냉각판(134) 및 셀 유닛(12)의 하면 사이에 배치되는 제 2 완충 레이어를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 완충 레이어 및 제 2 완충 레이어는, 전도성이 높고, 유연성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 완충 레이어는, 기체확산층(GDL), 미세다공층(MPL)이 적층된 기체확산층(GDL), 그라포일 및 메탈 폼으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나의 재질로 형성될 수 있다.
가스확산층(gas diffusion layer, GDL)은 탄소섬유로 이루어진 탄소종이(carbon paper)나 탄소 천(carbon cloth)등과 같은 다기공성 탄소 기재로 형성될 수 있다. 가스확산층은, 우수한 전기 전도성과 기공 구조를 가지고 있어 분리판과의 접촉 저항을 낮출 수 있다.
또한, 기체확산층에, 마이크론 크기의 전도성 탄소 입자로 이루어진 슬러리를 도포 후 건조한 속칭 미세다공층(micro porous layer, MPL)을 적층한 형태로도 제조될 수도 있다. 이를 통해 도전성이 향상될 수 있다.
그라포일(grafoil)은, 카본이 재료인 전도성 씰링 물질이다.
메탈 폼은, 예를 들면, 메탈 소재의 가는 선재로 구성된 부피감이 있는 부재로써, 신축성이 있는 전도성 제품을 의미한다.
제 1 독립형 냉각판(131)은, 제 1 냉매 유입 통로(132) 및 제 1 냉매 토출 통로(133)와 각각 연결되며, 제 1 독립형 냉각판(131)의 내부에 형성된 냉매 유로와 연통되는 제 1 냉매 유입 포트(1312) 및 제 1 냉매 토출 포트(1313)를 포함할 수 있다. 하나의 제 1 냉매 유입 통로(132)를 통하여 유입되는 냉매는 복수 개의 제 1 독립형 냉각판(131)에 형성된 각각의 제 1 냉매 유입 포트(1312)로 분지 유입되고, 각각의 제 1 독립형 냉각판(131)의 내부를 유동하면서 셀 유닛(12)에서 발생된 열을 제거하고, 각각의 제 1 냉매 토출 포트(1313)를 통하여 하나의 제 1 냉매 토출 통로(133)로 토출될 수 있다.
제 1 독립형 냉각판(131)은, 예를 들어, 셀 유닛(12)의 적층 방향을 기준으로 셀 유닛(12)과 오버랩되지 않는 제 1 돌출부를 포함할 수 있다. 그리고 제 1 냉매 유입 포트(1312) 및 제 1 냉매 토출 포트(1313)는 제 1 돌출부에 형성될 수 있다.
제 2 독립형 냉각판(134)은, 제 2 냉매 유입 통로(135) 및 제 2 냉매 토출 통로(136)와 각각 연결되며, 제 2 독립형 냉각판(134)의 내부에 형성된 냉매 유로와 연통되는 제 2 냉매 유입 포트(1345) 및 제 2 냉매 토출 포트(1346)를 포함할 수 있다. 하나의 제 2 냉매 유입 통로(135)를 통하여 유입되는 냉매는 복수 개의 제 2 독립형 냉각판(134)에 형성된 각각의 제 2 냉매 유입 포트(1345)로 분지 유입되고, 각각의 제 2 독립형 냉각판(134)의 내부를 유동하면서 셀 유닛(12)에서 발생된 열을 제거하고, 각각의 제 2 냉매 토출 포트(1346)를 통하여 하나의 제 2 냉매 토출 통로(136)로 토출될 수 있다.
제 2 독립형 냉각판(134)은, 예를 들어, 셀 유닛(12)의 적층 방향을 기준으로 셀 유닛(12)과 오버랩되지 않는 제 2 돌출부를 포함할 수 있다. 그리고 제 2 냉매 유입 포트(1345) 및 제 2 냉매 토출 포트(1346)는 제 2 돌출부에 형성될 수 있다. 한편, 제 2 돌출부는, 셀 유닛(12)의 적층 방향을 기준으로 제 1 돌출부와 서로 오버랩되지 않을 수 있다.
제 1 냉매 유입 통로(132), 제 1 냉매 토출 통로(133), 제 2 냉매 유입 통로(135) 및 제 2 냉매 토출 통로(136)는, 복수 개의 셀 유닛(12)의 적층 방향을 따라서 길게 배치될 수 있다. 제 2 냉매 유입 통로(135) 및 제 2 냉매 토출 통로(136)는, 제 1 냉매 유입 통로(132) 및 제 1 냉매 토출 통로(133)의 반대편에 배치될 수 있다.
위와 같은 4개의 외부 매니폴드형 냉각 구조에 의하면, 서로 반대편에서 각각 지그재그 형태로 냉매가 유동하면서 셀 유닛(12)을 냉각시킬 수 있다. 또한, 냉매 유입 통로 및 냉매 토출 통로를 각각 복수 개로 설치함으로써, 냉매 유입 통로 및 냉매 토출 통로가 각각 1개씩인 경우에 비하여, 냉매의 유동성을 향상시킬 수 있다. 이상 냉매 유입 통로 및 냉매 토출 통로가 각각 2개씩인 경우를 예시로 하였으나, 3개 이상씩인 경우도 본 발명의 범위에 포함됨을 밝혀둔다.
한편, 운전 온도가 지나치게 낮은 경우, 스택의 성능이 저하되는 문제점이 있고, 운전 온도가 지나치게 높은 경우, 열화 현상이 가속되어 스택의 수명이 감소되는 문제점이 있으므로, 고온 PEMFC 스택에 있어서, 온도 관리는 매우 중요하다. 적절한 성능과 적절한 수명을 갖도록 하기 위하여는, 모든 스택이 균일한 온도를 갖도록 할 필요성이 있다. 저온 PEMFC 스택의 경우, 운전 시작 후 일정한 시간이 지나면, 전체 스택의 온도 편차가 크지 않으므로, 일부에서 측정한 온도만으로도 전체의 온도를 추정하는 것이 충분한 것으로 알려져 있다. 따라서, 저온 PEMFC 스택의 경우, 설치 공간이 충분한 엔드 플레이트에 온도 센서를 설치하고, 엔드 플레이트의 온도를 측정하여 전체 스택의 온도를 추정하고, 제어하는 방법을 사용하였다. 그러나 고온 PEMFC 스택의 경우 고온의 운전 조건을 가지는 특성상 외부 매니폴드를 따라서 냉매가 유동하는 과정에서도 온도가 상승될 수 있으며, 셀 유닛 내부의 온도 불균일도나, 외부 단열 상태에 따라서도, 부분적인 온도 편차가 크게 나타나는 문제점이 있었다. 또한, 스택을 구성하는 각각의 분리판들은 두께가 얇기 때문에 온도 센서의 설치가 어려운 문제점이 있었다.
실시 예와 같은 독립형 냉각판(131, 134)을 포함하는 고온 PEMFC 스택(10)의 경우, 제 1 독립형 냉각판(131) 및 제 2 독립형 냉각판(134) 중 하나 이상에 온도 센서를 설치함으로써 위와 같은 문제점을 해소할 수 있으며, 각 영역에서의 국부적인 온도를 감지할 수 있다.
예를 들어, 온도 센서는, 셀 유닛(12)의 적층 방향을 기준으로 셀 유닛(12)과 오버랩되지 않는 제 1 독립형 냉각판(131)의 제 1 돌출부 및/또는 제 2 독립형 냉각판(134)의 제 2 돌출부에 설치될 수 있다. 예를 들어, 온도 센서는, 복수 개의 냉각판(131, 134)마다 구비된 2개의 냉매 포트에 각각 설치될 수도 있을 것이다.
온도 센서로는, 예를 들어, 열전대(thermal couple)를 사용할 수 있다. 열전대는 제베크효과를 이용하여 넓은 범위의 온도를 측정하기 위해 두 종류의 금속으로 만든 장치로써, 내구성이 뛰어나 고온 PEMFC 스택과 같은 고온의 운전 조건에서도 이용될 수 있다.
한편, 고온 PEMFC 스택(10)은, 제 1 독립형 냉각판(131) 및 제 2 독립형 냉각판(134) 중 하나 이상으로 유입되는 냉매의 유량 또는 온도를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 그리고 제어부는, 온도 센서에서 감지된 값을 기초로 냉매의 유량 또는 온도를 제어할 수 있다. 이하 도 7 및 도 8을 참조하여, 실시 예에 따른 고온 PEMFC 스택(10)의 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 7은 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제어 방법은, 셀 유닛(12)을 냉각시키기 위한 복수 개의 냉각판(131, 134)에 각각 설치된 복수 개의 온도 센서를 이용하여 온도를 감지하는 단계(800)와, 복수 개의 온도 센서에서 감지된 온도로부터 최소 온도(T_min) 및 최대 온도(T_max)를 결정하는 단계(810)와, 최소 온도(T_min) 및 최대 온도(T_max) 정보를 기초로 상기 복수 개의 냉각판으로 유입되는 냉매의 유량 또는 온도를 제어하는 단계(820, 830, 840, 850, 860, 870)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 최소 온도(T_min)가 제 1 설정 온도(T1)보다 높은지 여부를 결정하고(820), 단계 820에서 최소 온도(T_min)가 제 1 설정 온도(T1)보다 높지 않으면, 복수 개의 셀 유닛(12) 중 적어도 일부의 셀 유닛(12)의 운전 온도가 낮아 요구 성능을 발휘하지 못하는 것으로 볼 수 있으므로, 냉매의 유량을 감소시키거나(830), 냉매의 온도를 증가시키는 방법(840)으로 셀 유닛(12)의 운전 온도를 상승시킬 수 있다. 단계 830 및 단계 840은 동시에 수행되거나, 둘 중 어느 하나만 수행될 수도 있다. 단계 830 및 단계 840 수행 후에는 다시 단계 800으로 복귀될 수 있다. 한편, 단계 820에서 최소 온도(T_min)가 제 1 설정 온도(T1)보다 높으면 단계 850을 수행할 수 있다.
반대로, 제 1 설정 온도(T1)보다 높은 값으로 설정된 제 2 설정 온도(T2)에 대하여, 최대 온도(T_max)가 제 2 설정 온도(T2)보다 낮은지 여부를 결정하고(850), 단계 850의 결과에 따라서, 단계 830 및 단계 840과 유사하게 단계 860 및/또는 단계 870을 수행할 수 있다.
한편, 단계 820 및 단계 850의 수행 순서는 서로 제한되지 않으며, 단계 850 수행 이후 단계 820이 수행될 수도 있음을 밝혀둔다.
이상의 제어 방법에 따르면, 스택의 성능 및 수명을 원하는 조건에 부합하도록 관리할 수 있다.
도 8은 다른 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제어 방법은, 셀 유닛(12)을 냉각시키기 위한 복수 개의 냉각판(131, 134)에 각각 설치된 복수 개의 온도 센서를 이용하여 온도를 감지하는 단계(900)와, 복수 개의 온도 센서에서 감지된 온도로부터 최소 온도(T_min) 및 최대 온도(T_max)를 결정하는 단계(910)와, 최소 온도(T_min) 및 최대 온도(T_max) 정보를 기초로 상기 복수 개의 냉각판으로 유입되는 냉매의 유량 또는 온도를 제어하는 단계(920, 930, 940, 950)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 최소 온도(T_min) 및 최대 온도(T_max)로부터 최대 온도 편차(ΔT)를 연산하고(920), 최대 온도 편차(ΔT)가 설정 온도 편차(ΔT1)보다 낮은지 여부를 결정할 수 있다(930). 최대 온도 편차(ΔT)가 설정 온도 편차(ΔT1)보다 낮은 경우, 일부 셀 유닛(12)에서 냉각이 제대로 이루어지지 않는 것으로 볼 수 있으므로, 냉매의 유량을 증가시키거나(940), 냉매의 온도를 감소시키는 방법(950)을 이용하여, 최대 온도 편차(ΔT)를 감소시킬 수 있다. 단계 940 및 단계 950 수행 후에는 다시 단계 900으로 복귀될 수 있다.
이상의 제어 방법에 따르면, 스택이 균일한 온도를 가질 수 있으므로, 스택을 구성하는 셀 유닛(12)들의 성능 및 수명이 균일해지는 장점을 갖는다.
이상과 같이, 실시 예에 따르면, 새로운 형태의 냉각판을 이용함으로써 내구성이 뛰어나고, 높은 성능을 가질 수 있다. 또한, 새로운 형태의 냉각판에 부착된 열전대(thermo couple)를 이용함으로써, 스택의 온도 분포 균일도를 향상시킴으로써, 연료 전지 스택의 성능, 열화 정도 및 수명을 균일하게 관리할 수 있다.
이상에서 설명된 실시 예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시 예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시 예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시 예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시 예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (12)

  1. 셀 유닛;
    상기 셀 유닛의 상면에 배치되는 제 1 독립형 냉각판과, 상기 셀 유닛의 하면에 배치되는 제 2 독립형 냉각판을 포함하는 냉각 어셈블리;
    상기 셀 유닛 및 냉각 어셈블리를 지지하기 위한 지지 어셈블리;
    상기 제 1 독립형 냉각판 및 상기 셀 유닛의 상면 사이의 접촉 저항을 감소시키기 위하여, 상기 제 1 독립형 냉각판 및 상기 셀 유닛의 상면 사이에 배치되는 제 1 완충 레이어;
    상기 제 2 독립형 냉각판 및 상기 셀 유닛의 하면 사이의 접촉 저항을 감소시키기 위하여, 상기 제 2 독립형 냉각판 및 상기 셀 유닛의 하면 사이에 배치되는 제 2 완충 레이어; 및
    상기 제 1 독립형 냉각판 및 상기 제 2 독립형 냉각판 중 하나 이상의 독립형 냉각판에 설치되는 적어도 하나 이상의 온도 센서를 포함하고,
    상기 제 1 독립형 냉각판 및 제 2 독립형 냉각판 각각의 재질은, 상기 셀 유닛의 재질보다 강도가 높은 금속 재질로 형성되며,
    상기 제 1 완충 레이어 또는 제 2 완충 레이어는, 전도성을 갖고, 유연성을 갖는 기체확산층(GDL), 미세다공층(MPL)이 적층된 기체확산층(GDL), 그라포일 및 메탈 폼으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 유닛은, 복수 개의 분리판이 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 분리판은 각각,
    수소가 유동되는 수소 유로와, 공기가 유동되는 공기 유로를 포함하고,
    냉매가 유동되는 냉매 유로는 포함하지 않는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 독립형 냉각판 및 제 2 독립형 냉각판 중 하나 이상으로 유입되는 냉매의 유량 또는 온도를 조절하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 온도 센서에서 감지된 값을 기초로 상기 냉매의 유량 또는 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  8. 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 온도 센서는, 열전대(thermal couple)인 것을 특징으로 하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
KR1020160017738A 2016-02-16 2016-02-16 스택 온도 균일화를 위한 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택, 그 온도 제어 방법 및 기록 매체 KR101664382B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160017738A KR101664382B1 (ko) 2016-02-16 2016-02-16 스택 온도 균일화를 위한 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택, 그 온도 제어 방법 및 기록 매체
EP17155786.1A EP3208875A1 (en) 2016-02-16 2017-02-13 High temperature polymer electrolyte membrane fuel cell stack for uniform stack temperature distribution, controlling method thereof, and non-transitory computer-readable medium thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160017738A KR101664382B1 (ko) 2016-02-16 2016-02-16 스택 온도 균일화를 위한 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택, 그 온도 제어 방법 및 기록 매체

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101664382B1 true KR101664382B1 (ko) 2016-10-10

Family

ID=57145964

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160017738A KR101664382B1 (ko) 2016-02-16 2016-02-16 스택 온도 균일화를 위한 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택, 그 온도 제어 방법 및 기록 매체

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP3208875A1 (ko)
KR (1) KR101664382B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101866955B1 (ko) * 2017-04-19 2018-06-12 주식회사 한국연료전지 연료전지 스택 냉각시스템
CN111079337A (zh) * 2019-12-23 2020-04-28 畔星科技(浙江)有限公司 一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法
KR20200085706A (ko) * 2018-04-26 2020-07-15 한국에너지기술연구원 스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택
WO2020209533A1 (ko) * 2019-04-10 2020-10-15 군산대학교산학협력단 연료전지 스택의 분산형 체결 구조
US11108060B2 (en) 2017-07-26 2021-08-31 Lg Chem, Ltd. Fuel cell stack structure

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113314772B (zh) * 2021-04-09 2022-10-11 厦门凯跃利自动化有限公司 一种蓄电池组件及加工工艺

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61193370A (ja) * 1985-02-20 1986-08-27 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池の温度検出装置
JPH07142078A (ja) * 1993-11-19 1995-06-02 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池用冷却部材
JPH10302826A (ja) * 1997-04-30 1998-11-13 Toshiba Corp 燃料電池
JP2008192393A (ja) * 2007-02-02 2008-08-21 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池、燃料電池発電システムおよびその運転方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19930876C2 (de) * 1999-07-05 2003-04-17 Siemens Ag Brennstoffzellenanlage und Verfahren zur dynamischen Regelung der Temperatur und/oder der Zusammensetzung des Prozessgases der Brenstoffzellenanlage
DE10048423A1 (de) * 2000-09-29 2002-04-18 Siemens Ag Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle, damit arbeitende Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung
JP3878512B2 (ja) * 2002-05-23 2007-02-07 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
KR20140046336A (ko) * 2012-10-10 2014-04-18 삼성전자주식회사 냉각 매체의 리크 방지수단을 포함한 연료전지 스택

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61193370A (ja) * 1985-02-20 1986-08-27 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池の温度検出装置
JPH07142078A (ja) * 1993-11-19 1995-06-02 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池用冷却部材
JPH10302826A (ja) * 1997-04-30 1998-11-13 Toshiba Corp 燃料電池
JP2008192393A (ja) * 2007-02-02 2008-08-21 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池、燃料電池発電システムおよびその運転方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101866955B1 (ko) * 2017-04-19 2018-06-12 주식회사 한국연료전지 연료전지 스택 냉각시스템
US11108060B2 (en) 2017-07-26 2021-08-31 Lg Chem, Ltd. Fuel cell stack structure
KR20200085706A (ko) * 2018-04-26 2020-07-15 한국에너지기술연구원 스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택
KR102329252B1 (ko) 2018-04-26 2021-11-22 한국에너지기술연구원 스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택
WO2020209533A1 (ko) * 2019-04-10 2020-10-15 군산대학교산학협력단 연료전지 스택의 분산형 체결 구조
CN111079337A (zh) * 2019-12-23 2020-04-28 畔星科技(浙江)有限公司 一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法
CN111079337B (zh) * 2019-12-23 2023-09-01 畔星科技(浙江)有限公司 一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3208875A1 (en) 2017-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101664382B1 (ko) 스택 온도 균일화를 위한 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택, 그 온도 제어 방법 및 기록 매체
Luo et al. Experimental study on temperature characteristics of an air-cooled proton exchange membrane fuel cell stack
US7862935B2 (en) Management via dynamic water holdup estimator in a fuel cell
US8168343B2 (en) Humidification control during shutdown of a fuel cell system
JP4741643B2 (ja) 燃料電池スタック
Lopez-Sabiron et al. Design and development of the cooling system of a 2 kW nominal power open-cathode polymer electrolyte fuel cell stack
EP3644422A1 (en) Fuel cell separator including embossing structure for uniform distribution of gas and fuel cell stack including the same
WO2006077741A1 (ja) 高分子電解質型燃料電池発電システム
JP4096575B2 (ja) 燃料電池システム
JP2007335408A (ja) 過渡の間にｒｈ偏位を最小にするための多圧力支配制御
Nishimura et al. Heat and mass transfer analysis in single cell of PEFC using different PEM and GDL at higher temperature
JP4632917B2 (ja) 固体高分子形燃料電池
KR102587079B1 (ko) 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택
JP2006286411A (ja) 燃料電池用加湿装置及びこれを備えた燃料電池システム
KR101283022B1 (ko) 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택
JP4034804B2 (ja) 高分子電解質型燃料電池発電システム
JPH0950819A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
JP2006210334A5 (ko)
US20100316916A1 (en) Polymer electrolyte fuel cell system
US7871732B2 (en) Single reactant gas flow field plate PEM fuel cell
JP2008071637A (ja) 燃料電池システムと燃料電池スタック検査装置及び燃料電池スタック異常判断方法
KR101979837B1 (ko) 연료 전지용 독립형 냉각판 및 이를 포함하는 연료 전지
KR101665572B1 (ko) 스택의 수명 극대화를 위한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전 방법
JP2007179973A (ja) 高分子電解質型燃料電池
JP2007115620A (ja) 高分子電解質形燃料電池用セパレータおよび高分子電解質形燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190909

Year of fee payment: 4