KR101768128B1 - 독립형 냉각판을 구비하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택 및 그 제조 방법 - Google Patents

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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; 및 상기 복수 개의 셀 유닛 및 냉각 어셈블리를 지지하기 위한 지지 어셈블리를 포함할 수 있다.

Description

독립형 냉각판을 구비하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택 및 그 제조 방법{HIGH-TEMPERATURE POLYMER ELECTROLYTE MEMBERANCE FUEL CELL STACK HAVING INDEPENDENT COOLING PLATE AND METHOD OF PRODUCING THEREOF}
아래의 설명은 독립형 냉각판을 구비하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택 및 그 제조 방법에 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 냉매로 사용되는 오일은 고온에서 작동하므로 연료 전지의 분리판 내부에 형성된 냉매 유로를 순환하는 동안 분리판의 부피 변화를 일으켜 파손을 촉진시키는 문제점이 있었다.
실시 예의 목적은 높은 내구성을 가지면서, 조립성이 뛰어나고, 유지 보수가 용이한 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택을 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; 및 상기 복수 개의 셀 유닛 및 냉각 어셈블리를 가압 및 지지하기 위한 지지 어셈블리를 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 냉각 어셈블리는, 상기 복수 개의 제 1 독립형 냉각판으로 각각 유입되는 냉매를 안내하는 제 1 냉매 유입 통로; 상기 복수 개의 제 1 독립형 냉각판으로부터 각각 토출되는 냉매를 안내하는 제 1 냉매 토출 통로; 상기 복수 개의 제 2 독립형 냉각판으로 각각 유입되는 냉매를 안내하는 제 2 냉매 유입 통로; 및 상기 복수 개의 제 2 독립형 냉각판으로부터 각각 토출되는 냉매를 안내하는 제 2 냉매 토출 통로를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 냉매 유입 통로 및 제 1 냉매 토출 통로는, 상기 복수 개의 셀 유닛의 적층 방향을 따라서 길게 배치되고, 상기 제 2 냉매 유입 통로 및 제 2 냉매 토출 통로는, 상기 복수 개의 셀 유닛의 적층 방향을 따라서 길게 배치되며, 상기 제 1 냉매 유입 통로 및 제 1 냉매 토출 통로의 반대편에 배치될 수 있다.
상기 제 1 독립형 냉각판은, 상기 셀 유닛의 적층 방향을 기준으로 상기 셀 유닛과 오버랩되지 않는 제 1 돌출부를 포함하고, 상기 제 1 돌출부에 상기 제 1 냉매 유입 통로 및 제 1 냉매 토출 통로가 연결될 수 있다.
상기 제 2 독립형 냉각판은, 상기 셀 유닛의 적층 방향을 기준으로 상기 셀 유닛과 오버랩되지 않는 제 2 돌출부를 포함하고, 상기 제 2 돌출부에 상기 제 2 냉매 유입 통로 및 제 2 냉매 토출 통로가 연결될 수 있다.
상기 제 2 돌출부는, 상기 셀 유닛의 적층 방향을 기준으로 상기 제 1 돌출부와 서로 오버랩되지 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 냉각 어셈블리는, 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판 사이에 배치되는 유연한 재질의 냉매 호스를 더 포함할 수 있다.
상기 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판은 각각, 판재 형상의 바디; 상기 바디로부터 상측으로 연장되는 상측 냉매 포트; 및 상기 바디로부터 하측으로 연장되는 하측 냉매 포트를 포함하고, 상기 냉매 호스는, 상기 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판 중 어느 하나의 제 1 독립형 냉각판의 하측 냉매 포트 및 다른 하나의 제 1 독립형 냉각판의 상측 냉매 포트를 연결할 수 있다.
상기 지지 어셈블리에 의해 상기 복수 개의 셀 유닛 및 냉각 어셈블리가 가압된 상태에서, 상기 어느 하나의 제 1 독립형 냉각판의 바디로부터 상기 다른 하나의 제 1 독립형 냉각판의 상측 냉매 포트의 단부까지의 거리는, 상기 냉매 호스의 길이보다 길 수 있다.
상기 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판은 각각, 상기 상측 냉매 포트 및 하측 냉매 포트에 각각 구비되며 상기 냉매 호스를 고정하기 위한 고정구를 포함할 수 있다.
상기 지지 어셈블리에 의해 상기 복수 개의 셀 유닛 및 냉각 어셈블리가 가압된 상태에서, 상기 어느 하나의 제 1 독립형 냉각판의 하측 냉매 포트에 구비되는 고정구로부터 상기 다른 하나의 제 1 독립형 냉각판의 상측 냉매 포트에 구비되는 고정구까지의 거리는, 상기 냉매 호스의 길이보다 짧을 수 있다.
실시 예에 따르면, 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제조 방법은, 제 1 엔드 플레이트를 배치하는 단계; 상기 제 1 엔드 플레이트에 각각 복수 개의 분리판이 적층되어 구성된 복수 개의 셀 유닛과, 복수 개의 독립형 냉각판을 교번하여 적층시키는 단계; 상기 적층시키는 단계 이후에 제 2 엔드 플레이트를 적층시키는 단계; 상기 제 1 엔드 플레이트 및 제 2 엔드 플레이트를 가압 및 지지하기 위한 지지 어셈블리를 체결시키고 가압하는 단계; 및 상기 복수 개의 독립형 냉각판 중 일부의 독립형 냉각판 사이를 연결하는 유연한 재질의 냉매 호스를 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 셀 유닛은, 수소가 유동되는 수소 유로와, 공기가 유동되는 공기 유로를 포함하고, 냉매가 유동되는 냉매 유로는 포함하지 않을 수 있다.
실시 예에 따르면, 기존에 연료 전지의 분리판의 내부에 냉매 유로를 형성하였던 것과 달리, 분리판과 독립적인 독립형 냉각판을 이용함으로써 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 독립형 냉각판으로 냉매를 안내하는 냉매 호스를 유연한 재질로 형성함에 따라서 고온 고분자 전해질 막 연료 전지의 운전시에 발생되는 부피 팽창 및 수축에 따른 편차를 보상함으로써 파손의 위험성을 보다 낮추고, 고온 고분자 전해질 막 연료 전지의 조립성을 향상시킴과 동시에, 조립 후 유지 보수도 용이하게 할 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 일부를 분해한 분해 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 실시 예에 따른 냉매 호스를 연결하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 9는 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제조 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 지지 및 가압할 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.
도 7은 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 일부를 분해한 분해 사시도이다.
도 7을 참조하면, 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택(10, 도 1 참조)의 냉각 어셈블리(13, 도 3 참조)는, 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판(131) 사이에 배치되는 유연한 재질의 냉매 호스(138)를 더 포함할 수 있다.
인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판(131)은 각각, 판재 형상의 바디(1311)와, 바디(1311)로부터 상측으로 연장되는 상측 냉매 포트(1314)와, 바디(1311)로부터 하측으로 연장되는 하측 냉매 포트(1315)를 포함할 수 있다. 여기서, 상측 냉매 포트(1314) 중 어느 하나와, 하측 냉매 포트(1315) 중 어느 하나는 서로 연통되고 냉매 유입 포트(1312, 도 5 참조)로 작용할 수 있다. 마찬가지로, 상측 냉매 포트(1314) 중 다른 하나와, 하측 냉매 포트(1315) 중 다른 하나는 서로 연통되고 냉매 토출 포트(1313, 도 5 참조)로 작용할 수 있다.
냉매 호스(138)는, 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판(131)을 서로 연결할 수 있다. 다시 말하면, 냉매 호스(138)는, 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판(131) 중 어느 하나의 제 1 독립형 냉각판의 하측 냉매 포트(1315)와, 하측 냉매 포트(1315)의 위치에 대응하는 위치에 설치되는 다른 하나의 제 1 독립형 냉각판의 상측 냉매 포트(1314)를 연결할 수 있다. 냉매 호스(138)는, 앞서 도 1 내지 도 6에서 설명한 냉매 유입 통로(132) 및/또는 냉매 토출 통로(133)를 구성하는 하나의 부품인 것으로 이해될 수도 있다.
제 1 독립형 냉각판(131)은, 각각 상측 냉매 포트(1314) 및 하측 냉매 포트(1315)에 각각 구비되며 냉매 호스(138)를 고정하기 위한 고정구(F, 도 8b 참조)를 더 포함할 수 있다. 고정구(F)는, 포트(1314, 1315)가 바디(1311)로부터 연장되는 방향을 향하여 직경이 점차 감소하는 형상을 가질 수 있다. 위와 같은 형상에 의하면, 냉매 호스(138)가 포트(1314, 1315)에 쉽게 끼워지면서, 잘 빠지지 않도록 하여 냉매 호스(138)의 체결력을 향상시킬 수 있다.
이상과 마찬가지로 인접한 2개의 제 2 독립형 냉각판(134) 사이에도 유연한 재질의 냉매 호스가 배치될 수 있을 것이며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 8a 및 도 8b는 실시 예에 따른 냉매 호스를 연결하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 지지 어셈블리(11, 도 2 참조)에 의해 복수 개의 셀 유닛(12) 및 냉각 어셈블리(13)가 가압된 상태에서, 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판(131) 중 어느 하나의 제 1 독립형 냉각판(131)의 바디(1311)로부터 다른 하나의 제 1 독립형 냉각판(131)의 상측 냉매 포트(1314)의 단부(E)까지의 거리(d1)는, 냉매 호스(138)의 길이(L)보다 길 수 있다.
위와 같은 구조에 의하면, 상측 냉매 포트(1314)로 인한 간섭을 줄이면서, 냉매 호스(138)의 일 단부를 하측 냉매 포트(1315)로 용이하게 장착시킬 수 있다. 그리고 도 8a에 도시된 바와 같이 냉매 호스(138)의 일 단부를 하측 냉매 포트(1315)의 뿌리 부분까지 밀어 넣음으로써, 냉매 호스(138)의 타 단부를 상측 냉매 포트(1314)와 일 직선상에 정렬시킬 수 있다. 다음으로 도 8b에 도시된 바와 같이 냉매 호스(138)의 타 단부를 상측 냉매 포트(1314)를 향하여 밀어 넣음으로써 2개의 냉매 포트(1314, 1315)를 냉매 호스(138)로 연통시킬 수 있다.
한편, 지지 어셈블리(11)에 의해 복수 개의 셀 유닛(12) 및 냉각 어셈블리(13)가 가압된 상태에서, 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판(131) 중 어느 하나의 제 1 독립형 냉각판(131)의 하측 냉매 포트(1315)에 구비되는 고정구(F)로부터, 다른 하나의 제 1 독립형 냉각판(131)의 상측 냉매 포트(1314)에 구비되는 고정구(F)까지의 거리(d2)는, 냉매 호스(138)의 길이(L)보다 짧을 수 있다.
위와 같은 구조에 의하면, 다른 추가적인 연결구 없이도 간단하게 냉매 호스(138)를 이용하여 2개의 냉매 포트(1314, 1315)를 연통시킬 수 있다. 또한, 냉매 호스(138)는 유연한 재질로 형성되므로, 고온 PEMFC의 운전 여부에 따른 팽창 및 수축에 의한 편차를 보상하여 줌으로써, 냉매 유동 통로의 파손 없는 안정적인 운행을 가능하게 할 수 있다. 또한, 외부 충격 또는 노후에 따라 냉매 유동 통로의 교체가 요구될 때에도, 전체 스택의 구성 부품을 분리할 필요 없이, 교체가 요구되는 부분의 냉매 호스(138)만 별도로 교체하면 되기 때문에, 유지 및 보수의 측면에 있어서도 유리한 장점을 갖게 된다.
도 9는 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 실시 예에 따른 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제조 방법은, 제 1 엔드 플레이트를 배치하는 단계(900), 제 1 엔드 플레이트에 각각 복수 개의 분리판이 적층되어 구성된 복수 개의 셀 유닛과, 복수 개의 독립형 냉각판을 교번하여 적층시키는 단계(910), 단계 910 이후에 제 2 엔드 플레이트를 적층시키는 단계(920), 제 1 엔드 플레이트 및 제 2 엔드 플레이트를 가압 및 지지하기 위한 지지 어셈블리를 체결시키고 가압하는 단계(930) 및 복수 개의 독립형 냉각판 중 일부의 독립형 냉각판 사이를 연결하는 유연한 재질의 냉매 호스를 연결하는 단계(940)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 기존에 연료 전지의 분리판의 내부에 냉매 유로를 형성하였던 것과 달리, 분리판과 독립적인 독립형 냉각판을 이용함으로써 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 독립형 냉각판으로 냉매를 안내하는 냉매 호스를 유연한 재질로 형성함에 따라서 고온 고분자 전해질 막 연료 전지의 운전시에 발생되는 부피 팽창 및 수축에 따른 편차를 보상함으로써 파손의 위험성을 보다 낮추고, 고온 고분자 전해질 막 연료 전지의 조립성을 향상시킴과 동시에, 조립 후 유지 보수도 용이하게 할 수 있다.
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 (16)

  1. 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; 및
    상기 복수 개의 셀 유닛 및 냉각 어셈블리를 가압 및 지지하기 위한 지지 어셈블리를 포함하고,
    상기 냉각 어셈블리는,
    상기 복수 개의 제 1 독립형 냉각판으로 각각 유입되는 냉매를 안내하는 제 1 냉매 유입 통로;
    상기 복수 개의 제 1 독립형 냉각판으로부터 각각 토출되는 냉매를 안내하는 제 1 냉매 토출 통로;
    상기 복수 개의 제 2 독립형 냉각판으로 각각 유입되는 냉매를 안내하는 제 2 냉매 유입 통로; 및
    상기 복수 개의 제 2 독립형 냉각판으로부터 각각 토출되는 냉매를 안내하는 제 2 냉매 토출 통로를 더 포함하고,
    상기 제 1 냉매 유입 통로 및 제 1 냉매 토출 통로는, 상기 복수 개의 셀 유닛의 적층 방향을 따라서 길게 배치되고,
    상기 제 2 냉매 유입 통로 및 제 2 냉매 토출 통로는, 상기 복수 개의 셀 유닛의 적층 방향을 따라서 길게 배치되며, 상기 제 1 냉매 유입 통로 및 제 1 냉매 토출 통로의 반대편에 배치되고,
    상기 제 1 독립형 냉각판은, 상기 셀 유닛의 적층 방향을 기준으로 상기 셀 유닛과 오버랩되지 않는 제 1 돌출부를 포함하고,
    상기 제 1 돌출부에 상기 제 1 냉매 유입 통로 및 제 1 냉매 토출 통로가 연결되고,
    상기 제 2 독립형 냉각판은, 상기 셀 유닛의 적층 방향을 기준으로 상기 셀 유닛 및 상기 제 1 돌출부와 오버랩되지 않는 제 2 돌출부를 포함하고,
    상기 제 2 돌출부에 상기 제 2 냉매 유입 통로 및 제 2 냉매 토출 통로가 연결되는 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. 삭제
  8. [청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 돌출부는, 상기 셀 유닛의 적층 방향을 기준으로 상기 제 1 돌출부와 서로 오버랩되지 않는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 독립형 냉각판 및 제 2 독립형 냉각판 각각의 재질은, 상기 셀 유닛의 재질보다 강도가 높은 금속 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  10. 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 냉각판과, 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판 사이에 배치되는 유연한 재질의 냉매 호스를 포함하는 냉각 어셈블리; 및
    상기 복수 개의 셀 유닛 및 냉각 어셈블리를 가압 및 지지하기 위한 지지 어셈블리를 포함하고,
    상기 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판은 각각,
    판재 형상의 바디;
    상기 바디로부터 상측으로 연장되는 상측 냉매 포트; 및
    상기 바디로부터 하측으로 연장되는 하측 냉매 포트를 포함하고,
    상기 냉매 호스는, 상기 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판 중 어느 하나의 제 1 독립형 냉각판의 하측 냉매 포트 및 다른 하나의 제 1 독립형 냉각판의 상측 냉매 포트를 연결하고,
    상기 지지 어셈블리에 의해 상기 복수 개의 셀 유닛 및 냉각 어셈블리가 가압된 상태에서, 상기 어느 하나의 제 1 독립형 냉각판의 바디로부터 상기 다른 하나의 제 1 독립형 냉각판의 상측 냉매 포트의 단부까지의 거리는, 상기 냉매 호스의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판은 각각,
    상기 상측 냉매 포트 및 하측 냉매 포트에 각각 구비되며 상기 냉매 호스를 고정하기 위한 고정구를 포함하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 지지 어셈블리에 의해 상기 복수 개의 셀 유닛 및 냉각 어셈블리가 가압된 상태에서, 상기 어느 하나의 제 1 독립형 냉각판의 하측 냉매 포트에 구비되는 고정구로부터 상기 다른 하나의 제 1 독립형 냉각판의 상측 냉매 포트에 구비되는 고정구까지의 거리는, 상기 냉매 호스의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택.
  15. 제 1 엔드 플레이트를 배치하는 단계;
    상기 제 1 엔드 플레이트에 각각 복수 개의 분리판이 적층되어 구성된 복수 개의 셀 유닛과, 복수 개의 제 1 독립형 냉각판과, 복수 개의 제 2 독립형 냉각판을 교번하여 적층시키는 단계;
    상기 적층시키는 단계 이후에 제 2 엔드 플레이트를 적층시키는 단계;
    상기 제 1 엔드 플레이트 및 제 2 엔드 플레이트를 가압 및 지지하기 위한 지지 어셈블리를 체결시키고 가압하는 단계; 및
    상기 복수 개의 독립형 냉각판 중 일부의 독립형 냉각판 사이를 연결하는 유연한 재질의 냉매 호스를 연결하는 단계를 포함하고,
    인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판은 각각,
    판재 형상의 바디;
    상기 바디로부터 상측으로 연장되는 상측 냉매 포트; 및
    상기 바디로부터 하측으로 연장되는 하측 냉매 포트를 포함하고,
    상기 냉매 호스는, 상기 인접한 2개의 제 1 독립형 냉각판 중 어느 하나의 제 1 독립형 냉각판의 하측 냉매 포트 및 다른 하나의 제 1 독립형 냉각판의 상측 냉매 포트를 연결하고,
    상기 지지 어셈블리에 의해 상기 복수 개의 셀 유닛 및 냉각 어셈블리가 가압된 상태에서, 상기 어느 하나의 제 1 독립형 냉각판의 바디로부터 상기 다른 하나의 제 1 독립형 냉각판의 상측 냉매 포트의 단부까지의 거리는, 상기 냉매 호스의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 셀 유닛은,
    수소가 유동되는 수소 유로와, 공기가 유동되는 공기 유로를 포함하고,
    냉매가 유동되는 냉매 유로는 포함하지 않는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 제조 방법.



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