KR101816342B1 - 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제작성이 향상된 연료전지 스택에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 확산 유로가 마련되어 반응기체 및 냉각수를 분배시키는 확산부 및 상기 확산부로부터 연속되게 형성되며, 상기 확산 유로에 비해 높이가 높은 반응 유로가 마련되어 상기 확산부로부터 분배된 반응기체가 이동하며 화학 반응에 의해 전자가 발생되게 하는 반응부 및 상기 확산부 및 상기 반응부와 밀착되는 기체확산층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제작성이 향상된 연료전지 스택에 관한 것이다.
최근 들어, 에너지 소비가 적고 환경오염을 줄여줄 수 있는 친환경 전기 차량이 다양하게 개발되고 있다. 그 일례로서, 연료전지 차량과 하이브리드(hybrid) 차량이 있다.
연료전지 차량은, 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 발생된 전기를 에너지원으로 사용하는 차량이다. 하이브리드 차량은, 고속주행시나 오르막길 주행시에는 내연기관을 사용하고, 저속주행이나 정차시에는 전기를 에너지원으로 사용하는 차량이다.
일반적으로 연료전지 자동차는 기존의 내연기관 자동차가 화석연료와 공기 중의 산소를 엔진 내에서 폭발 반응시켜 그 화학에너지를 기계에너지로 바꾸어 구동동력을 얻는 것과 달리, 고압 수소 탱크 또는 개질기를 통해 공급되는 수소와 공기 터보 압축기를 통해 공급되는 공기 중의 산소를 연료 전지 스택 내에서 전기 화학 반응시켜 생성된 전기에너지를 이용하여 자동차를 구동하게 된다.
즉, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 음극(anode)과 양극(cathode)으로 된 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.
고분자 전해질 연료전지는 전류밀도가 높고 운전온도가 낮으며 부식 및 전해질 손실이 적다는 장점을 가지고 있어 군사용이나 우주선의 동력원으로 개발되기 시작하였으나, 현재는 출력 밀도가 높고 장치가 간단하여 모듈화가 가능하다는 점을 이용하여 자동차의 동력원으로 응용하기 위한 연구가 최근 활발히 진행중이다.
종래의 연료전지의 유량분배 안정장치가 대한민국공개특허공보 10-2006-0019998호에 공지되어 있다.
종래의 연료전지의 유량분배 안정장치는 연료전지 스택 내 유량동 특성 제어를 통해 스택 성능저하를 방지하고 안정된 셀 성능을 확보할 수 있는 기술이다.
그런데 연료전지 스택의 연료전지 분리판은 확산부의 유로 간격을 좁게 하면 반응기체의 분배성은 향상되나 분리판 제작성이 나빠지고, 확산부의 유로 간격을 넓게 하면 분리판 제작성은 향상되나 기체확산층(GDL)이 유로로 과다 침투되어 차압 증가 및 물 배출성 저하를 야기하여 시스템 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 분리판 내 반응기체의 균일한 분배를 위해 존재하는 확산 유로의 높이 변경을 통해 분리판 제작성 향상과 차압 저감을 통한 연료전지 시스템 효율 향상을 달성할 수 있게 하는 연료전지 스택를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 확산부 및 상기 확산부에 연결된 반응부를 가진 분리판; 및 상기 분리판의 확산부 및 상기 반응부에 밀착되는 기체확산층;을 포함하고, 상기 확산부는 반응기체 및 냉각수를 상기 반응부로 분배하는 확산 유로를 가지고, 상기 반응부는 상기 확산 유로에 비해 높이가 높은 반응 유로를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 확산부와 상기 기체확산층이 밀착되는 압축률이 상기 반응부와 상기 기체확산층이 밀착되는 압축률에 비해 적은 것이 좋다.
상기 확산 유로와 상기 반응 유로는 상호 연속적으로 연결될 수 있다.
상기 확산 유로와 상기 반응 유로는 상호 불연속적으로 형성될 수 있다.
상기 확산 유로는 상기 반응 유로에 비해 높이는 낮고, 상기 확산 유로는 상기 반응 유로에 비해 좌우 폭의 길이는 넓을 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택은 확산부 및 상기 확산부에 연결된 반응부를 가진 분리판; 및 상기 분리판의 확산부 및 반응부에 밀착되는 기체확산층;을 포함하고, 상기 확산부는 반응기체 및 냉각수를 상기 반응부로 분배하는 확산 유로를 가지며, 상기 반응부에는 미세 다공체가 설치되고, 상기 미세 다공체의 내부에는 복수의 유로가 형성되며, 상기 미세 다공체가 설치된 반응부는 상기 확산부의 확산 유로 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 미세 다공체는 상기 반응부와 상기 기체확산층의 사이에 삽입될 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지 스택은 확산 유로의 높이를 낮추어 반응부의 면압을 증가시키더라도 확산부 측의 기체확산층 압축량을 최소화할 수 있기 때문에 차압 증가와 물배출성 저하 없이도 제작성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택에서 확산부, 반응부 및 기체확산층을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택에서 확산부, 반응부 및 기체확산층을 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택에서 확산부, 반응부 및 기체확산층을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 스택은 확산 유로(11)가 마련되어 반응기체 및 냉각수를 분배시키는 확산부(10), 상기 확산부(10)로부터 연속되게 형성되며, 상기 확산 유로(11)에 비해 높이가 높은 반응 유로(21)가 마련되어 상기 확산부(10)로부터 분배된 반응기체가 이동하는 반응부(20) 및 상기 확산부(10) 및 상기 반응부(20)와 밀착되는 기체확산층(GDL; 30)을 포함한다.
여기서 확산 유로(11)의 높이를 hC 라하면 hC ≥ 300㎛가 바람직하다.
그리고 연료 전지 분리판 높이를 H 라하고, 반응 유로(22) 높이를 HC 라 하고, 확산부(10) 측 기체확산층(30) 높이를 hG 라 하고, 반응부(20) 측 기체확산층(30) 높이를 HG 라 하고, 기체확산층(30)의 압축 전 두께를 G 라 하고, 기체확산층(30) 압축비를 C 라고 하면 0.05≤C≤0.25 이고, HG = (1-C)*G 이고, H = HC + HG = hC + hG 를 만족하게 하는 것이 좋다.
확산부(10)는 도 1을 참조하여 단면에서 보면 주름지게 형성되는데 주름부에 확산 유로(11)를 형성하는 채널 형상을 이룰 수 있다.
그리고 기체확산층(30)과 확산부(10)가 밀착되면 채널 형상의 확산부(10)의 구조상 기체확산층(30)과 확산부(10)가 맞닿는 압축면(13)과 기체확산층(30)과 확산부(10)가 맞닿지 않는 비압축면(15)이 존재하게 된다.
확산부(10)와 연속되게 형성되는 반응부(20)의 반응 유로(21)는 발생되는 전자의 이동 통로가 되기 때문에 전기 효율을 좋게 하기 위해 반응부(30)와 기체확산층(30)(GDL) 간의 면압(contac pressure)을 높여야 한다.
그런데 반응부(20)와 기체확산층(30)과의 면압을 높이게 되면 반응부(20)와 연속되게 형성되는 확산부(10)와 기체확산층(30)과의 면압도 높아지게 된다.
이때, 비압축면(15)이 넓어지게 되면 기체확산층(30)이 확산 유로(11)로 침투하는 침투량이 많아지고, 기체확산층(30)이 확산 유로(11)로 침투하게 되면 차압을 증가시키거나 물 배출성을 저하시킴에 따라 확산부(10)의 기능을 저하시켜는 현상이 발생하게 되어 비압축면(15)의 증가를 방지해야할 필요성이 있다.
하지만, 비압축면(15)의 증가를 방지하기 위해 확산 유로(11)를 좁게 형성하면 확산부(10)의 제작이 어려워 제작성을 저하하게 된다.
따라서 본 발명에 따르면 확산 유로(11)의 크기 변경 없이 확산 유로(11)에 비해 높이가 높은 반응 유로(21)를 마련하여 확산부(10)와 기체확산층(30)이 밀착되는 압축률이 반응부(20)와 기체확산층(30)이 밀착되는 압축률에 비해 작게 되기 때문에 반응 유로(21)에는 면압을 충분히 증가시키면서도 확산 유로(11)에는 면압이 거의 발생하지 않도록 하는 효과가 있다.
여기서 반응부(20)와 확산부(10)의 높이 차를 구하는 공식은 반응부(20)와 확산부(10)와의 높이 차를 △H 라 하면 △H = HC - hC = hG - HG 를 만족하게 하는 것이 바람직하며, 확산부(10) 측 기체확산층(30) 압축률 Cp 는 3% ≤ Cp ≤ 13% 를 만족하게 하는 것이 좋다.
더불어, 기체확산층(30)이 연료전지의 셀 적층 또는 연료전지 스택 조립으로 압축될 시 확산부 측 기체확산층(30)의 높이와 확산부(10)의 높이를 합한 값과 반응부 측 기체확산층(30)의 높이와 반응부(20)의 높이를 합한 값이 상호 같게 되어 기체확산층(30)의 외측면이 기울어지거나 굴곡지지 않고 평평하게 됨을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택는 도 1을 참조하여 확산 유로(11)와 반응 유로(21)가 연속적으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 확산 유로(11)는 상기 반응 유로(21)에 비해 높이는 낮은 대신 좌우 폭은 넓게 형성하여 확산부(10)의 기능인 물 배출성을 유지할 수 있게 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 확산 유로(11)와 반응 유로가 상호 불연속적으로 형성되도록 반응부(20)에는 반응 유로가 형성되지 않고 미세 다공체(21d)가 반응부(20)와 기체확산층(30)의 사이에 삽입될 수 있다.
이때, 미세 다공체(21d)가 설치된 반응부(20)의 높이가 확산부(10)의 확산 유로(11)에 비해 높이가 높게 형성된다.
그리고 미세 다공체(21d) 내부에는 복수의 유로가 미세하게 형성되어 반응 유로의 기능을 대신한다. 따라서 반응부(20)에는 미세 다공체(21d) 이외의 별도의 유로는 형성되지 않는다.
도 1 내지 도 2에서는 확산부(10)와 반응부(20)의 경계를 가상의 점선(d)으로 표기하여 확산부(10)와 반응부(20)를 가상의 점선(d)을 중심으로 나누어 화살표로 표기하였다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지 스택는 확산 유로의 높이를 낮추어 반응부의 면압을 증가시키더라도 확산부 측의 기체확산층 압축량을 최소화할 수 있기 때문에 차압 증가와 물배출성 저하 없이도 제작성을 향상시키는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 연료전지 스택를 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
10: 확산부
11: 확산 유로
13: 압축면
15: 비압축면
20: 반응부
21: 반응 유로
21d: 미세 다공체
30: 기체확산층

Claims (8)

  1. 확산부 및 상기 확산부에 연결된 반응부를 가진 분리판; 및
    상기 분리판의 확산부 및 반응부에 밀착되는 기체확산층;을 포함하고,
    상기 확산부는 반응기체 및 냉각수를 상기 반응부로 분배하는 확산 유로를 가지며, 상기 반응부는 상기 확산 유로에 비해 높이가 높은 반응 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산부와 상기 기체확산층이 밀착되는 압축률이 상기 반응부와 상기 기체확산층이 밀착되는 압축률에 비해 적은 연료전지 스택.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체확산층이 외부로부터 압축될 시,
    상기 확산부와 밀착되는 상기 기체확산층의 높이와 상기 확산부의 높이를 합한 값과,
    상기 반응부와 밀착되는 상기 기체확산층의 높이와 상기 반응부의 높이를 합한 값은 상호 같은 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산 유로와 상기 반응 유로는 상호 연속적으로 연결되는 연료전지 스택.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산 유로와 상기 반응 유로는 상호 불연속적으로 형성되는 연료전지 스택.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산 유로는 상기 반응 유로에 비해 높이는 낮고,
    상기 확산 유로는 상기 반응 유로에 비해 좌우 폭의 길이는 넓은 연료전지 스택.
  7. 확산부 및 상기 확산부에 연결된 반응부를 가진 분리판; 및
    상기 분리판의 확산부 및 반응부에 밀착되는 기체확산층;을 포함하고,
    상기 확산부는 반응기체 및 냉각수를 상기 반응부로 분배하는 확산 유로를 가지며,
    상기 반응부에는 미세 다공체가 설치되고, 상기 미세 다공체의 내부에는 복수의 유로가 형성되며,
    상기 미세 다공체가 설치된 반응부는 상기 확산부의 확산 유로 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 미세 다공체는 상기 반응부와 상기 기체확산층의 사이에 삽입되는 연료전지 스택.
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