KR101684014B1 - 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조에 관한 구성으로, 더욱이, 연료전지 스택의 냉각유로의 위치에 관한 기술로서, 응력이 집중되는 얇은 멤브레인의 응력을 감소시키기 위해, 상기 멤브레인과 가스켓부의 경계의 기준선상에 세극유로영역을 포함하여, 하나 이상의 세극유로를 구성하고, 상기 세극유로의 폭 및 간격을 설정하여, 멤브레인과 가스켓부의 경계부분의 응력집중부에서 발생하는 응력을 낮춰주는 기술을 제공한다.

Description

다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조{Fuel cell stack with multiple channels}

본 발명 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조는 전해질막의 구성으로서 멤브레인과 가스켓부의 연결지점에 피로강도를 높이기 위한 기술로서, 더 바람직하게 연료전지를 구성하는 분리판 내측면에 구성되는 복수개의 유로 형상에 과한 것이다.

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 연료전지는 연료가 가지는 화학 에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기 화학적으로 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치로서 자동차의 전원, 레이저 전기기구의 전원 등으로 관심 있게 연구되는 무공해 발전장치이다.

이러한 연료전지의 애노드로 연료 기체인 수소가 공급되고 캐소드로 산화제인 산소가 공급되는바, 상기 수소와 산소로부터 전자를 분리시켜 이온화를 촉진시키기 위하여 수소와 산소에 수분을 공급하기 위한 가습장치가 연료전지의 애노드와 캐소드에 각각 장착된다. 상기 연료전지는 작동온도, 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)와, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)와, 고체고분자 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 구분된다.

최근에 많이 연구되고 있는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 상대적으로 높은 출력과 빠른 시동 및 응답 특성을 보이고, 특히 운전온도(80~100℃)가 낮은 장점이 있다.

상기의 PEMFC 구조에서, 전기를 발생시키는 막-전극 접합 구조체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 전해질 막은 촉매층과 멤브레인으로 이루어진다. 위 멤브레인의 경우 고분자 박막으로 구성되고, 촉매층 양 끝단에 돌출되는 구조를 갖으며, 돌출된 멤브레인은 분리판의 측부에 위치하는 가스켓에 의해 고정된다.

더욱이, 고분자 박막의 일반적인 두게는 0.05 내지 0.1mm를 갖으며, 일반적으로 고분자 박막으로 구성되는 멤브레인이 얇게 제작될수록 전기적 저항손실이 감소된다. 다만, 이처럼 얇은 박막 구성으로 이루어지는 멤브레인의 경우, 박막 자체의 기계적 강도는 저하되며, 수소극과 산소극 사이의 차압으로 인하여 발생하는 피로하중에 대해 취약해지는 문제점이 존재한다.

선행문헌으로서, 대한민국 등록특허 제0826435호(이하 문헌 1)의 경우, 분리판의 유로가 외측부로 갈수록 폭이 감소하는 특징을 포함하는 기술을 제공하고 있다.

다만, 상기 문헌 1의 경우에도 전해질층의 멤브레인의 응력감소를 위한 문제점을 포함하고 있는바, 연료전지 내에 멤브레인의 응력감소를 통한 피로강도를 높이는 것이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 응력이 집중되는 얇은 멤브레인의 응력감소를 위한 세극유로를 구성하고, 상기 유로의 폭 및 간격을 설정하여, 멤브레인과 가스켓부의 경계부분의 응력집중부에서 발생하는 응력을 낮춰주는 기술을 제공한다.

본 발명은 준공을 포함하고, 상기 준공 내부에 가스확산층을 포함하는 분리판, 상기 분리판의 내측면에 구성되는 다수의 냉각유로, 상기 분리판의 내부에 위치하고, 상기 가스확산층과 마주하도록 구성되는 촉매층과 상기 촉매층 양 끝단 외부로 돌출되는 멤브레인을 포함하는 전해질층, 상기 분리판의 양 끝단에 위치하여, 상기 돌출된 멤브레인이 인입되는 인입홈을 가지는 가스켓부;를 포함하고, 상기 냉각유로는, 상기 분리판의 상기 촉매층 상부 내측면에 위치하는 다수의 일반유로, 상기 멤브레인이 상기 가스켓부에 인입되는 경계의 기준선상에 위치하고, 세극유로를 포함하는 세극유로영역를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 유로 형상을 가지는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조를 제공한다.

또한, 상기 세극유로는, 상기 기준선으로부터 상기 일반유로의 폭 거리 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 복수 개의 유로 형상을 가지는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조를 제공한다.

또한, 상기 세극유로간의 간격은 상기 일반유로의 폭과 동일한 것을 특징으로 하는 복수 개의 유로 형상을 가지는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조를 제공한다.

또한, 상기 세극유로의 폭은 상기 일반유로 폭의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조를 제공한다.

또한, 상기 세극유로는 인접하는 상기 일반유로와 상기 일반유로의 폭만큼 이격되어 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 유로 형상을 가지는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조를 제공한다.

또한, 상기 세극유로는 상기 기준선에 대칭되어 구성되는 것을 특징으로 하는 복수 개의 유로 형상을 가지는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조를 제공한다.

또한, 상기 세극유로영역에 2 이상의 상기 세극유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수 개의 유로 형상을 가지는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조를 제공한다.

또한, 상기 기준선으로부터 상기 일반유로의 폭 거리 내에 위치하는 상기 세극유로에서 상기 분리판 측면방향으로 일정한 간격을 갖고 구성되는 다수의 세극유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수 개의 유로 형상을 가지는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조를 제공한다.

본 발명은 다중 유로 형상을 가지는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조의 구성에 있어서, 일반유로와 세극유로를 구성하여 멤브레인의 응력집중 현상을 분산하는 효과가 있다.

또한, 세극유로를 구성하여, 멤브레인과 가스켓의 경계에서 응력집중 현상에 대비하여 내구성을 증대하는 효과를 제공한다.

또한, 응력을 분산하여 내구성이 증대된 연료전지 스택을 제공하는바, 연료전지 사용시간을 증대하는 효과를 포함한다.

더욱이, 연료전지의 사용시간 증대와 내구성 향상을 통한 경제적인 효과 또한 제공한다.

도 1은 종래 기술로서, 냉각 유로를 포함하는 연료전지 스택의 단면도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 세극유로를 포함하는 연료전지 스택의 단면도를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 세극유로영역을 확대한 확대도로서, 세극유로영역에 위치하는 세극유로를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 세극유로를 구비하는 복수 개의 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조에 의한 멤브레인의 응력감소 효과를 세극유로를 포함하지 않는 종래 기술 그래프와 비교하여 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 세극유로의 폭에 따른 응력감소 효과를 나타내는 그래프이다.

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 연료전지 스택의 구성에 있어서, 일반유로(21)와 세극유로(22)를 구성하여 멤브레인(14)의 응력집중 현상을 분산하는 효과가 있고, 또한, 세극유로(22)를 구성하여, 멤브레인(14)과 가스켓의 경계에서 응력집중 현상에 대비하여 내구성을 증대하는 효과를 제공한다.

연료전지의 경우, 공급된 수소는 상기 양극판을 거치면서 수소 이온과 자유 전자로 분리되는데, 자유 전자는 외부 경로를 통해 이동되면서 전류를 발생하게 되며, 수소 이온은 상기 전해질막을 통과하여 상기 음극판 쪽으로 이동하게 된다. 상기 전해질막을 통과한 수소 이온은 상기 가스확산층(11)을 통과하여 상기 음극판에 도달하게 되고, 상기 음극판(12)에 공급되는 산소와 반응하여 물로 결합된 후 배출되게 된다.

이렇게 구성되는 전해질층(12)의 경우, 산소와 수소의 피로하중과, 얇게 구성되는 멤브레인(14)의 형태에 기인하여, 상기 멤브레인(14)에 가해지는 응력을 감소할 필요성이 존재한다.

도 1의 경우, 종래기술로서, 냉각 유로를 구성하는 연료전지 스택을 도시하고 있다. 상기와 같이, 단순한 냉각 유로를 구성하는 종래의 연료전지 스택의 경우, 가스켓부(15)와 멤브레인(14)의 경계영역에 피로강도가 높아지는 문제점이 발생하였다. 이처럼 피로강도가 증가하는 연료전지 스택의 구조에 따라, 멤브레인이 포함되는 전해질층의 두께가 증가해야하는바, 특히 멤브레인(14)의 두께에 제한이 따랐다. 다만, 멤브레인(14)의 두께가 증가하는 경우, 전기적 저항성을 띄는 멤브레인(14)에 의해 연료전지 효율이 감소하는 문제점이 존재하였다.

도 2의 경우, 본 발명의 복수 개의 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조를 도시하고 있다. 연료전지 스택의 경우, 준공을 갖는 분리판(10)으로 구성된다. 상기 분리판(10)의 경우, 분리판(10)의 양측에 이를 관통하는 입구와 출구가 형성되고, 이 입구와 출구를 연결하는 다수의 유로가 상기 분리판(10)의 내측면에 형성되어 이루어진 연료전지 분리판(10)의 냉각유로(17)를 포함한다. 분리판(10) 내측면과 마주하는 가스확산층(11)을 포함하고, 상기 가스확산층(11) 사이에 위치하는 전해질층(12)이 구성된다.

더욱이, 상기 분리판(10)내에 위치하는 준공의 경우, 애노드 분리판과, 캐소드 분리판 사이에 위치하고, 준공 내부에 가스확산층과 고분자박막이 위치하고 있는 공간을 의미한다.

상기 전해질층(12)의 경우, 멤브레인(14)과 촉매층(13)으로 구성된다. 상기 멤브레인(14)은 촉매층(13) 사이에 위치하는바, 촉매층(13)의 내부에 위치한다. 더욱이, 멤브레인(14)은 촉매층(13) 양끝단에 돌출되는 형태로 구성된다. 상기 멤브레인(14)의 경우, 일반적으로 0.05 내지 0.10 mm의 두께를 갖는다.

분리판(10)의 양 끝단에 위치하여, 상기 돌출된 멤브레인(14)이 인입되는 인입홈을 가지는 가스켓부(15)를 포함하고, 상기 가스켓부(15)는 분리판(10)의 내측면과 마주하는 가스켓과 상기 가스켓의 내부에 위치하고, 멤브레인(14)의 돌출된 부위가 인입되는 인입홈을 가지는 서브가스켓으로 구성된다.

상기 가스켓부는 가스켓과 서브가스켓으로 구성될 수 있으며, 또는, 하나의 가스켓을 구성하여 가스켓과 서브가스켓을 모두 포함하여 제작될 수 있다.

분리판(10)의 내측면에 구성되는 냉각유로(17)의 경우, 상기 촉매층(13) 위치에 대응되는 상기 분리판(10)의 내측면에 위치하는 다수의 일반유로(21)와 멤브레인(14)이 인입되는 가스켓부(15)와 경계의 기준선(20)상에 위치하는 세극유로영역(23)에 구성되어 있는 세극유로(22)를 포함한다.

상기 세극유로영역(23)의 경우, 가스켓부(15)와 경계의 기준선(20)상의 대칭적인 영역을 포함하며, 가장 인접한 일반유로(21)의 끝단부터 분리판(10)과 가스켓부(15)가 마주하는 분리판(10) 측단까지를 포함한다. 또는, 세극유로영역(23)의 경우, 상기 기준선(20)을 기준으로 비대칭적인 구성을 포함할 수 있으며, 다수의 세극유로(22)가 구성되거나, 세극유로(22)에 의한 상기 멤브레인(14)의 응력집중 현상이 감소될 수 있는 최적의 위치에 구성된다. 이처럼 세극유로영역(23)은 세극유로(22)를 포함하는 모든 영역을 지정하는바, 세극유로(22)의 위치에 따라 제한된다.

세극유로(22)의 경우, 그 폭은 일반유로(21)의 두께의 절반 이하의 폭을 갖도록 구성된다. 더욱이, 본 발명의 세극유로(22)는 기준선(20)상에서 가장 인접한 일반유로(21)의 가까운 끝단 사이에 위치한다. 더 바람직하게 기준선(20)에서 세극유로(22)와 가장 인접한 일반유로(21)의 일끝단은 일반유로(21)의 폭의 거리만큼 떨어져 세극유로(22)가 구성된다. 이는 멤브레인(14)과 가스켓부(15) 경계의 기준선(20)의 안쪽 측면에 구성되는 세극유로(22)를 구성하는바, 하나의 세극유로(22)로 구성되는 분리판의 경우, 상기 위치에 세극유로(22)를 구성한다.

다만, 상기 세극유로(22)의 경우, 그 갯수에 제한이 없으며, 기준선(20)상에서 가장 인접한 일반유로(21)의 일끝단 사이에 위치하는 세극유로(22)를 기준으로 분리판(10)과 가스켓부(15)가 마주하는 분리판(10)의 가까운 측단까지의 세극유로영역(23) 내에 동일한 폭을 갖고 동일한 간격을 유지하여 구성되는 다수의 세극유로(22)를 포함한다.

더욱이, 분리판(10)의 가까운 측단의 타 측면방향으로 세극유로(22)를 다수 구성할 수 있다.

도 3의 경우, 상기 세극유로(22)의 구성을 확대한 단면을 도시하고 있다. 상기 도면의 경우, 기준선(20)과 가장 인접한 일반유로(21)의 일끝단 사이에 위치하는 세극유로(22)가 구성된다. 상기 세극유로(22)는 가장 인접한 일반유로(21)와 일반유로(21) 폭 거리만큼 이격되어 있다. 더욱이, 3개의 세극유로(22)로 구성되는 실시예를 도시하고 있는바, 상기 세극유로(22)는 일정한 간극을 갖는다. 또한, 상기 세극유로(22)들은 각각 동일한 폭을 갖는바, 일반유로(21) 폭의 절반 이하 길이를 갖는다.

도 4의 경우, 세극유로(22)의 폭에 따라 멤브레인(14)의 응력감소 현상이 나타나는 정도를 도시하고 있다. 본 실시예에따라 구성된 세극유로(22)의 경우, 3개의 세극유로를 구성하였다.

가로축은 세극유로(22)와 인접한 일반유로(21)의 폭 대비 세극유로(22)의 폭을 무차원으로 나타낸 것이다. 상기와 같이, 세극유로(22)의 폭이 일반유로(21)의 절반 이상일 경우, 멤브레인(14)과 가스켓부(15)의 경계에서 발생하는 최대응력의 크기가 커지는 것을 알 수가 있다. 따라서, 세극유로(22)의 폭은 일반유로(21)의 절반 이상을 넘지 않아야 한다. 더 바람직하게, 세극유로(22)의 폭은 일반유로(21)의 0.3 내지 0.5배의 폭을 갖도록 구성한다.

도 5a는 세극유로(22)를 포함하지 않는 연료전지 스택의 응력정도를 측정한 도면이고, 도 5b는 세극유로(22)를 포함하는 구성을 통해서 멤브레인(14)의 응력집중 부의 최대응력 감소가 일어나는 실험 데이터를 도시하고 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 실험의 대상으로 세극유로(22)가 3개로 구성되며, 그 폭은 일반유로(21)의 1/2의 폭을 갖는다. 더욱이, 세극유로(22)간의 간격은 일반유로의 폭과 동일한 거리를 갖도록 구성된다.

상기 실시예에 따라, 도 5a는 기존의 세극유로(22)를 포함하지 않는 선행기술의 실험 데이터를 도시하고 있는바, 도시된 바와 같이, 150 내지 168 kpa의 응력 범위를 나타내고 있다. 이와 상이하게, 도 5b의 경우, 세극유로(22)를 구성한 분리판(10)을 포함하는 연료전지 스택에 있어서, 응력집중부(16)는 130kpa 이하의 응력 범위를 나타냅니다. 따라서, 상기 세극유로(22)의 구성을 통해서 적어도 20kpa 이상의 최대응력감소 효과를 도출할 수 있습니다.

도 6은 세극유로(22)의 높이가 상이한 세극유로(22)를 구성하고 있다. 다만, 상기와 같은 세극유로(22)의 높이는 본 발명의 실시예에 의거, 응력집중부(16)의 응력감쇠효과에 영향을 미치지 못한다. 따라서, 세극유로(22)의 높이는 별도의 제한되지 않는다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10: 분리판
11: 가스확산층
12: 전해질층
13: 촉매층
14: 멤브레인
15: 가스켓부
16: 응력집중부
17: 냉각유로
20: 기준선
21: 일반유로
22: 세극유로
23; 세극유로영역

Claims (8)

1. 준공을 포함하고, 상기 준공 내부에 가스확산층을 포함하는 분리판;
   상기 분리판의 내측면에 구성되는 다수의 냉각유로;
   상기 분리판의 내부에 위치하고, 상기 가스확산층과 마주하도록 구성되는 촉매층과 상기 촉매층 양 끝단 외부로 돌출되는 멤브레인을 포함하는 전해질층;
   상기 분리판의 양 끝단에 위치하여, 상기 돌출된 멤브레인이 인입되는 인입홈을 가지는 가스켓부;를 포함하고,
   상기 냉각유로는,
   상기 분리판의 상기 촉매층 상부 내측면에 위치하는 다수의 일반유로;
   상기 멤브레인이 상기 가스켓부에 인입되는 경계의 기준선상에 위치하고, 상기 멤브레인의 응력 분산을 수행하는 세극유로를 포함하는 세극유로영역;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 세극유로는, 상기 기준선으로부터 상기 일반유로의 폭 거리 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 세극유로간의 간격은 상기 일반유로의 폭과 동일한 것을 특징으로 하는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 세극유로의 폭은 상기 일반유로 폭의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택구조.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 세극유로는 인접하는 상기 일반유로와 상기 일반유로의 폭만큼 이격되어 상기 세극유로영역에 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 세극유로는 상기 기준선에 대칭되어 구성되어 상기 세극유로영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 세극유로영역에 2 이상의 상기 세극유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 기준선으로부터 상기 일반유로의 폭 거리 내에 위치하는 상기 세극유로에서 상기 분리판 측면방향으로 일정한 간격을 갖고 구성되는 다수의 세극유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 유로 형상을 가지는 연료전지 스택구조.
   

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