KR101876061B1 - 연료전지 스택 - Google Patents

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KR101876061B1 KR1020160125217A KR20160125217A KR101876061B1 KR 101876061 B1 KR101876061 B1 KR 101876061B1 KR 1020160125217 A KR1020160125217 A KR 1020160125217A KR 20160125217 A KR20160125217 A KR 20160125217A KR 101876061 B1 KR101876061 B1 KR 101876061B1
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 연료전지 셀의 애노드측과 캐소드측 간의 전해질막 수분 투과량이 증가되어 스택 함습도 및 성능 안정성이 개선될 수 있는 연료전지 스택을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체; 막전극접합체에 적층되는 가스확산층; 및 가스확산층에 적층되어 산화제 가스가 흐르는 캐소드 채널, 및 연료 가스가 흐르는 애노드 채널, 냉각수가 흐르는 냉각수 채널을 형성하는 분리판을 포함하고, 상기 분리판은, 상기 캐소드 채널의 상류측 입구부에서 채널의 정해진 길이에 해당하는 부분의 냉각수 채널이 상기 정해진 길이에 해당하는 부분을 제외한 나머지 부분에서의 냉각수 채널에 비해 유로 단면적이 축소된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택이 개시된다.

Description

연료전지 스택{Fuel cell stack}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 셀의 애노드측과 캐소드측 간의 전해질막 수분 투과량이 증가되어 스택 함습도 및 성능 안정성이 개선될 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전 장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전원으로 이용되고 있고, 소형의 전기/전자제품, 휴대기기의 전력을 공급하는 데에도 이용될 수 있다.
현재 차량용 연료전지로는 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 가장 많이 연구되고 있다.
도 1은 고분자 전해질막 연료전지의 단위 셀 기본 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 연료전지의 각 단위 셀에서 가장 안쪽에는 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)(1)가 위치한다.
막전극접합체(1)는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 연료 가스인 수소와 산화제 가스인 공기(또는 산소)가 반응할 수 있도록 해주는 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성되어 있다.
또한, 막전극접합체(1)의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드의 바깥부분에는 가스확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(2)이 적층되고, 가스확산층(2)의 바깥쪽에는 반응가스(연료 가스인 수소와 산화제 가스인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)를 형성하는 분리판(Bipolar Plate)(3,4)이 위치된다.
또한, 분리판(3,4) 사이에는 유체의 실(Seal)을 위한 가스켓(8) 등이 개재되도록 적층되며, 가스켓(8)은 막전극접합체(1) 또는 분리판(3,4)에 일체로 성형된 상태로 제공될 수 있다.
도 1에서 막전극접합체(1)를 중심으로 좌측의 분리판(3)을 애노드 분리판, 우측의 분리판(4)을 캐소드 분리판이라 한다면, 막전극접합체(1)의 애노드에 접합된 가스확산층(2)과 애노드 분리판(3) 사이의 채널(5)이 연료 가스인 수소가 흐르게 되는 애노드 채널(5)이 된다.
또한, 막전극접합체(1)의 캐소드에 접합된 가스확산층(2)과 캐소드 분리판(4) 사이의 채널(6)이 산화제 가스인 공기(산소)가 흐르게 되는 캐소드 채널(6)이 되고, 이웃한 애노드 채널(5) 사이 및 캐소드 채널(6) 사이의 분리판 랜드부(3a,4a)가 형성하는 공간이 냉각수 채널(7)이 된다.
이러한 구성을 단위 셀(Cell)로 하여 복수 개의 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(End Plate)(미도시)를 결합하며, 엔드 플레이트 사이에 셀들을 적층 배열한 상태로 스택 체결기구(미도시)를 이용하여 엔드 플레이트와 셀들을 함께 체결해줌으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
각 단위 셀은 운전 시 낮은 전압을 유지하므로 전압을 높이기 위해 수십 ~ 수백 개의 셀들을 직렬로 적층하여 스택 형태로 제작한 뒤 발전장치로 사용하게 된다.
한편, 고분자 전해질막 연료전지의 경우 작동을 위해서는 반드시 수분이 필요하며, 스택 건조(Drying) 발생 시 전해질막의 저항 손실이 증가하여 스택 성능이 감소한다.
따라서, 통상의 연료전지 시스템에서는 반응가스로 공급되는 공기를 가습기를 이용하여 가습한 후 연료전지 스택에 공급하고 있다.
또한, 가습기가 삭제된 무가습 연료전지 시스템의 구성이 가능한데, 무가습 연료전지 시스템의 경우 가습기 삭제에 따른 원가 절감 및 부피 축소가 가능하지만, 스택 건조의 가능성이 있기 때문에 스택의 수분 유지가 핵심 기술로 알려져 있다.
도 2는 종래의 연료전지 셀 내 수분 순환 구조를 설명하기 위한 도면으로, 연료전지 셀에서 막전극접합체(MEA)의 전해질막을 통해 애노드 채널(5)과 캐소드 채널(6) 사이의 수분 투과가 이루어짐을 나타내고 있다.
도시된 바와 같이, 캐소드 채널(6)의 상류측 입구부에서는 습한 애노드측에서 건조한 캐소드측 방향으로 수분이 전달되고, 캐소드 채널(6)의 하류측 출구부에서는 습한 캐소드측에서 건조한 애노드측 방향으로 수분이 전달된다.
이때, 산화제 가스인 공기가 압축기에 의해 연료전지 스택에 공급될 때, 압축기를 통과한 공기는 고온, 저습 상태로 연료전지 스택에 공급되나, 스택 유입 후에는 냉각수에 의해 급속히 냉각되면서 습도가 상승하여 저온, 중ㆍ고습 상태가 된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 캐소드 채널의 상류측 입구부(캐소드 입구부)와 하류측 출구부(캐소드 출구부)에서 애노드측과 캐소드측 간의 수분 전달량이 많을수록 연료전지 셀 내부의 수분 선순환 구조가 형성되어 전해질막의 함습도가 상승한다.
전해질막을 통한 수분 전달량은 수분 전달이 이루어지는 애노드측과 캐소드측 간의 습도 차이가 클수록 증가하는데, 이때 습도는 수증기 분압이 높고 온도가 낮을수록(즉, 포화 수증기압이 높을수록) 상승한다.
하기 수학식 1은 수분 전달량을 나타내는 식이다.
Figure 112016094413978-pat00001
또한, 하기 수학식 2는 상대습도를 나타내는 식이다.
Figure 112016094413978-pat00002
도 3은 전해질막을 통한 수분 전달의 해석 결과를 나타내는 도면으로, 캐소드 채널의 상류측 입구부에서는 캐소드측 방향으로의 수분 전달량이 증가하고, 캐소드 채널의 하류측 출구부에서는 애노드측 방향으로의 수분 전달량이 증가한다.
여기서, 캐소드 채널과 애노드 채널에서 반응가스가 역방향으로 흐르기 때문에 캐소드 채널의 상류측 입구부(캐소드 입구부)는 애노드 채널의 하류측 출구부(애노드 출구부)와 같은 위치를 나타내고, 캐소드 채널의 하류측 출구부(캐소드 출구부)는 애노드 채널의 상류측 입구부(애노드 입구부)와 같은 위치를 나타낸다.
전술한 바와 같이, 무가습 연료전지 시스템에서는 전해질막의 함습도 유지 및 증대가 필수적이며, 따라서 연료전지의 애노드측과 캐소드측 간의 전해질막 수분 투과량이 증가될 수 있도록 하여 스택 내 함습도를 개선할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 연료전지 셀의 애노드측과 캐소드측 간의 전해질막 수분 투과량이 증가되어 스택 함습도 및 성능 안정성이 개선될 수 있는 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체; 막전극접합체에 적층되는 가스확산층; 및 가스확산층에 적층되어 산화제 가스가 흐르는 캐소드 채널, 및 연료 가스가 흐르는 애노드 채널, 냉각수가 흐르는 냉각수 채널을 형성하는 분리판을 포함하고, 상기 분리판은, 상기 캐소드 채널의 상류측 입구부에서 채널의 정해진 길이에 해당하는 부분의 냉각수 채널이 상기 정해진 길이에 해당하는 부분을 제외한 나머지 부분에서의 냉각수 채널에 비해 유로 단면적이 축소된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 분리판은 상기 정해진 길이에 해당하는 부분에서 산화제 가스를 냉각하는 냉각수가 흐르지 못하도록 냉각수 채널의 단면상 유로 형상 중 캐소드 채널에 인접한 적어도 일부의 유로 부분이 막혀 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분리판은 가스확산층과의 사이에 산화제 가스가 흐르는 캐소드 채널을 형성하는 캐소드 분리판; 및 가스확산층과의 사이에 연료 가스가 흐르는 애노드 채널을 형성하는 애노드 분리판을 포함하고, 상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판이 접합된 상태에서 애노드 분리판의 냉각수 유로와 함께 냉각수 채널을 형성하는 캐소드 분리판의 냉각수 유로가 상기 정해진 길이에 해당하는 부분에서 냉각수가 흐르지 못하도록 막혀 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캐소드 분리판은 상기 정해진 길이에 해당하는 부분에서 냉각수 유로가 미형성되고, 상기 나머지 부분에서만 애노드 분리판의 냉각수 유로와 함께 냉각수 채널을 형성하는 냉각수 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캐소드 분리판은 상기 정해진 길이에 해당하는 부분과 상기 나머지 부분 사이의 경계부에서 절곡되어, 상기 정해진 길이에 해당하는 부분에서는 가스확산층에 접합되는 랜드부가 미형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캐소드 분리판에서 상기 정해진 길이에 해당하는 부분의 냉각수 유로 내에 냉각수 흐름을 차단하기 위한 차단재가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택으로 한다.
또한, 상기 분리판은 가스확산층과의 사이에 산화제 가스가 흐르는 캐소드 채널을 형성하는 캐소드 분리판; 및 가스확산층과의 사이에 연료 가스가 흐르는 애노드 채널을 형성하는 애노드 분리판을 포함하고, 상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판이 접합된 상태일 때 애노드 분리판의 냉각수 유로와 함께 냉각수 채널을 형성하는 캐소드 분리판의 냉각수 유로에서 상기 정해진 길이에 해당하는 부분 내에 차단재가 설치되며, 상기 차단재는 냉각수 흐름 방향을 기준으로 상류측에 비해 하류측으로 갈수록 높이가 감소하는 형상으로 설치되어, 차단재가 설치된 구간에서 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수 채널의 유로 단면적이 하류측으로 가면서 커지도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차단재가 단열재인 것을 특징으로 한다.
이로써, 본 발명에 따른 연료전지 스택에서는 스택 내 수분 선순환 구조를 유도할 수 있으므로 전해질막의 함습도가 향상될 수 있고, 이로써 스택 성능이 개선되는 효과가 있게 된다.
또한, 전해질막 함습도 유지 기술이 적용됨으로써 외부 가습기의 삭제를 통한 연료전지 시스템의 원가 절감 및 부피 축소가 가능해진다.
또한, 고온 운전 시에도 전해질막의 함습도 유지가 가능하므로 연료전지 시스템의 냉각 성능이 개선되는 효과를 얻을 수 있고, 이를 통해 라디에이터의 부피 축소 및 추가적인 원가 절감이 가능해진다.
도 1은 고분자 전해질막 연료전지의 단위 셀 기본 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 종래의 연료전지 셀 내 수분 순환 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 전해질막을 통한 수분 전달의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에서 셀 내 수분 순환 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에서 캐소드 채널의 상류측 입구부 위치에서 취한 스택 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에서 캐소드 채널의 상류측 입구부를 제외한 나머지 채널 부분에서 취한 스택 단면도이다.
도 7은 도 5에서 선 'A-A'를 따라 취한 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 연료전지 셀의 애노드측과 캐소드측 간의 전해질막 수분 투과량이 증가되어 스택 함습도 및 성능 안정성이 개선될 수 있는 연료전지 스택을 제공하고자 하는 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에서 셀 내 수분 순환 구조를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에서 캐소드 채널의 상류측 입구부 위치에서 취한 스택 단면도이다.
또한, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에서 캐소드 채널(11)의 상류측 입구부(애노드 채널(21)의 하류측 출구부)를 제외한 나머지 채널 부분의 어느 한 위치에서 취한 스택 단면도이다.
또한, 도 7은 도 5에서 선 'A-A'를 따라 취한 단면도로서, 냉각수 채널의 길이방향을 따라서 취한 단면도이다.
먼저, 도 5에 나타낸 바와 같이, 각 단위 셀마다 캐소드 채널(11)의 상류측 입구부(이하 '캐소드 입구부'라 칭함)에서는, 채널의 정해진 길이 구간에 해당하는 부분에서 캐소드 분리판(10)에 의해 형성되어 있던 종래의 냉각수 유로가 삭제된다.
이때, 상기 정해진 길이 구간에 해당하는 부분에서는 냉각수가 흐르지 않도록 캐소드 분리판(10)에 냉각수 유로가 형성되지 않거나, 상기 정해진 길이 구간에 해당하는 부분에서 냉각수가 흐르지 못하도록 캐소드 분리판(10)의 기존 냉각수 유로 내에 별도의 냉각수 차단재(12)를 충전(充塡)하여 캐소드측 냉각수 유로가 막혀 있는 구조가 되도록 한다.
다만, 가스확산층(GDL)(2)과의 사이에 캐소드 채널(11)을 형성하고 있는 캐소드 분리판(10)에서 상기와 같이 정해진 길이 구간에 해당하는 부분만큼 냉각수 유로를 삭제하되, 가스확산층(2)과의 사이에 애노드 채널(21)을 형성하고 있는 애소드 분리판은 종래와 마찬가지로 냉각수 유로(33)가 구비된다.
도 5를 참조하면, 애노드 분리판(20)과 캐소드 분리판(10)이 적층된 상태일 때, 캐소드 입구부의 정해진 길이 구간에 해당하는 부분에서 캐소드 분리판(10)의 냉각수 유로가 미형성되거나 차단재(12)에 의해 막혀 있는바, 캐소드 분리판(10)에서는 종래에 냉각수 채널을 형성하였던 유로 부분의 적어도 일부가 냉각수가 흐르지 않도록 막혀 있는 구조가 된다.
이때, 상기 정해진 길이 구간을 제외한 나머지 구간에서는 도 6에 나타낸 바와 같이 캐소드 분리판(10)과 애노드 분리판(20)이 형성하는 냉각수 채널(31)이 종래와 동일하게 형성된다.
도 6을 참조하면, 막전극접합체(MEA)(1) 및 가스확산층(GDL)(2)을 중심으로 그 양측에 각각 애노드 분리판(20)과 캐소드 분리판(10)이 적층되고, 막전극접합체(1)의 애노드에 접합된 가스확산층(2)과 애노드 분리판(20) 사이의 유로가 연료 가스인 수소가 흐르게 되는 애노드 채널(21)로 되어 있다.
또한, 막전극접합체(1)의 캐소드에 접합된 가스확산층(2)과 캐소드 분리판(10) 사이의 유로가 산화제 가스인 공기(산소)가 흐르게 되는 캐소드 채널(11)로 되어 있고, 이웃한 애노드 채널(21) 사이 및 캐소드 채널(11) 사이의 분리판 랜드부(10a,20a)가 형성하는 공간이 냉각수 채널(31)로 되어 있다.
도 5와 도 6을 비교하여 보면, 캐소드 입구부의 정해진 길이 구간에서는 캐소드 분리판(10)에 의해 형성되어 있던 냉각수 유로(도 6에서 도면부호 32임)가 삭제되고, 애노드 분리판(20)에 의해 형성된 냉각수 유로(33)만이 존재하는바, 이 애노드 분리판(20)에 의해 형성된 냉각수 유로(33)만이 냉각수 채널(31)로 사용된다.
이로써, 도 5와 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 캐소드 입구부에서 채널의 정해진 길이에 해당하는 부분의 냉각수 채널(31)은 그 나머지 부분의 냉각수 채널에 비해 유로 단면적이 축소된 형상을 가지게 된다.
또한, 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 정해진 길이에 해당하는 부분에서 산화제 가스를 냉각하는 냉각수가 흐르지 못하도록 냉각수 채널(31)의 단면상 유로 중 캐소드 채널(11)에 인접한 적어도 일부의 유로 부분이 막혀 있는 형상을 가지게 된다.
따라서, 캐소드 입구부에서는 애노드 분리판(20)에 의해 형성된 냉각수 채널(31)을 따라 흐르는 냉각수가 애노드 채널(21) 내 연료 가스인 수소를 냉각할 수 있지만, 캐소드 분리판(10)에는 냉각수가 흐를 수 있는 유로가 구비되어 있지 않으므로 캐소드측 가스인 공기에 대해서는 냉각수에 의한 냉각이 방지된다.
상기와 같이 각 단위 셀의 캐소드 입구부에서 정해진 길이 구간에 해당하는 부분의 캐소드측 냉각수 유로가 삭제되도록 하기 위해, 전술한 바와 같이 캐소드 분리판(10)에 냉각수 유로가 형성되지 않거나, 캐소드 분리판(10)의 종래와 같은 냉각수 유로 내에 별도의 냉각수 차단재(12)가 충전되며, 이때 냉각수 차단재(12)는 단열재가 될 수 있다.
상기 냉각수 유로가 형성되지 않음은, 캐소드 입구부의 정해진 길이 구간에 해당하는 부분만큼은 캐소드 분리판(10)에서 가스확산층(2)에 접합되는 랜드부를 형성하지 않고 그 대신 캐소드측 가스가 흐르는 캐소드 채널만을 형성하는 것을 의미할 수 있다.
즉, 냉각수 유로가 형성된 부분과 냉각수 유로가 형성되지 않는 캐소드 입구부의 경계부분에서 캐소드 분리판 부분을 절곡하여, 캐소드 입구부에서는 랜드부를 없애고 캐소드 분리판(10)이 가스확산층(2)과의 사이에 캐소드 채널만 가지도록 하는 것이다.
이 경우, 캐소드 입구부에서 캐소드 분리판(10)은 랜드부 없이 평탄한 면으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 캐소드 입구부에서 랜드부를 없애더라도, 캐소드 분리판의 나머지 구간에서는 랜드부가 형성되어 있으므로 가스확산층에서의 분리판 적층 및 지지에는 문제가 없다.
상기와 같이 캐소드 입구부의 정해진 길이 구간에서는 캐소드측의 냉각수 유로를 형성하지 않음으로써 캐소드측 가스의 냉각을 위한 냉각수 흐름과 열 흐름이 차단될 수 있으며, 이를 통해 캐소드 입구부에서는 캐소드측 가스인 공기의 냉각을 방지하고, 그 대신 애노드측 냉각수 유로에 냉각수를 집중시켜 애노드측 가스인 수소에 대해서는 추가적인 냉각이 이루어질 수 있도록 한다.
상기 단열재로는 단열재 등급 분류 기준으로 최대 열전도율을 나타내는 단열재, 바람직하게는 열전도율이 0.051w/mk 이하인 단열재가 바람직하게 사용될 수 있다.
이와 같이 차단재(12)로는 분리판보다는 낮은 열전도율을 가지는 것이 사용되고, 차단재(12)로 단열재를 사용함으로써 차단재가 설치된 구간에서는 차단재에 의해 냉각수 유량을 줄일 수 있는 동시에 캐소드측 가스로부터 냉각수로의 열 흐름이 차단되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 캐소드 분리판(10)의 냉각수 유로(32) 내에 넣어지는 냉각수 차단재(21)는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 냉각수 흐름 방향을 기준으로 상류측에 비해 하류측으로 갈수록 차단재(12)의 높이가 점차 감소하는 형상으로 설치될 수 있다.
즉, 차단재(12)의 높이에 변화를 주어 차단재(21)가 설치된 구간에서 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수 채널(31)의 유로 단면적에 변화를 주는 것이며, 이때 상류측일수록 냉각수 채널(31)의 유로 단면적을 작게 하고, 하류측으로 가면서 냉각수 채널(31)의 유로 단면적을 크게 하여 냉각수가 더 많이 흐르도록 한다.
또한, 캐소드 입구부에서 캐소드 분리판(10)의 냉각수 유로(즉, 캐소드측 냉각수 유로)가 삭제되는 부분의 길이는 스택의 운전 온도, 습도, 압력, 유량 조건과 셀을 구성하는 소재 특성, 시스템 운전 목표에 따라 최적화하여 선정될 수 있다.
상기 캐소드 분리판(10)의 냉각수 유로가 삭제되는 부분의 길이가 길어질수록 애노드와 캐소드 간의 수분 전달량은 증가하는 장점은 있게 되지만 셀 내 온도 불균일성 증가 및 냉각수 차압 상승의 단점이 나타나므로, 상기 냉각수 유로가 삭제되는 부분의 길이는 선행 연구 및 평가 과정을 통해 최적화하여 설정함이 바람직하다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따라 개선되는 셀 내 수분 순환 구조를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 연료전지 스택에서는 캐소드 입구부에서 애노드측으로부터 캐소드측 방향으로의 수분 전달량이 증가되어 전해질막의 함습도가 향상될 수 있게 된다.
즉, 캐소드 입구부에서는 캐소드측 냉각수 유로가 삭제되어 있으므로 캐소드측 가스인 공기의 냉각이 지연되고, 반대로 애노드 채널(21)의 하류측 출구부 위치(캐소드 채널(11)의 상류측 입구부 위치가 됨, 이하 '애노드 출구부'라 칭함)에서는 애노드측 가스의 추가 냉각이 이루어지게 된다.
가스 온도의 하강 시에는 포화수증기압이 감소하여 수학식 2에 따라 습도가 증가하게 되고, 가스 온도의 상승 시에는 포화수증기압이 증가하여 습도는 감소하게 된다.
이에 캐소드 입구부에서는 공기의 고온, 저습 상태가 유지되고, 애노드 출구부(캐소드 입구부 위치임)에서는 애노드측 가스의 추가적인 습도 상승이 나타난다.
따라서, 캐소드 입구부(애노드 출구부 위치임)에서 애노드측 가스와 캐소드측 가스 간의 습도 차이가 증가하고, 결국 캐소드 입구부에서 애노드측으로부터 캐소드측 방향으로의 수분 전달량이 증가하게 된다.
반면, 캐소드 채널(11) 내 캐소드측 가스의 습도가 증가하여 애노드 입구부 위치, 즉 캐소드 출구부에서는 캐소드측으로부터 애노드측 방향으로의 수분 전달량이 증가하게 된다.
결국, 도 4에 나타낸 바와 같이, 애노드측과 캐소드측 간의 수분 전달량이 종래(도 2 참조)와 비교하여 증가하므로 셀 내 수분 선순환 구조가 형성되고, 결국 전해질막의 함습도가 증가하게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 연료전지 스택에서는 스택 내 수분 선순환 구조를 유도할 수 있으므로 전해질막의 함습도가 향상될 수 있고, 이로써 스택 성능이 개선되는 효과가 있게 된다.
또한, 전해질막 함습도 유지 기술이 적용됨으로써 외부 가습기의 삭제를 통한 연료전지 시스템의 원가 절감 및 부피 축소가 가능해진다.
또한, 고온 운전 시에도 전해질막의 함습도 유지가 가능하므로 연료전지 시스템의 냉각 성능이 개선되는 효과를 얻을 수 있고, 이를 통해 라디에이터의 부피 축소 및 추가적인 원가 절감이 가능해진다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 막전극접합체 2 : 가스확산층(GDL)
10 : 캐소드 분리판 10a : 랜드부
11 : 캐소드 채널 12 : 차단재
20 : 애노드 분리판 20a : 랜드부
21 : 애노드 채널 31 : 냉각수 채널
32, 33 : 냉각수 유로

Claims (8)

  1. 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체;
    막전극접합체에 적층되는 가스확산층; 및
    가스확산층에 적층되어 산화제 가스가 흐르는 캐소드 채널, 및 연료 가스가 흐르는 애노드 채널, 냉각수가 흐르는 냉각수 채널을 형성하는 분리판을 포함하고,
    상기 분리판은,
    상류측 입구부에서 하류측 출구부로 길게 연결된 캐소드 채널의 전체 길이 중에 상기 캐소드 채널의 상류측 입구부에서 채널의 정해진 길이에 해당하는 부분의 냉각수 채널이, 상기 정해진 길이에 해당하는 부분을 제외한 나머지 부분에서의 냉각수 채널에 비해 유로 단면적이 축소된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판은 상기 정해진 길이에 해당하는 부분에서 산화제 가스를 냉각하는 냉각수가 흐르지 못하도록 냉각수 채널의 단면상 유로 형상 중 캐소드 채널에 인접한 적어도 일부의 유로 부분이 막혀 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판은
    가스확산층과의 사이에 산화제 가스가 흐르는 캐소드 채널을 형성하는 캐소드 분리판; 및
    가스확산층과의 사이에 연료 가스가 흐르는 애노드 채널을 형성하는 애노드 분리판을 포함하고,
    상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판이 접합된 상태에서 애노드 분리판의 냉각수 유로와 함께 냉각수 채널을 형성하는 캐소드 분리판의 냉각수 유로가 상기 정해진 길이에 해당하는 부분에서 냉각수가 흐르지 못하도록 막혀 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 캐소드 분리판은 상기 정해진 길이에 해당하는 부분에서 냉각수 유로가 미형성되고, 상기 나머지 부분에서만 애노드 분리판의 냉각수 유로와 함께 냉각수 채널을 형성하는 냉각수 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 캐소드 분리판은 냉각수 유로 중 상기 정해진 길이에 해당하는 부분과 상기 나머지 부분 사이의 경계부에서 절곡되어, 상기 정해진 길이에 해당하는 부분에서는 가스확산층에 접합되는 랜드부가 미형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 캐소드 분리판에서 상기 정해진 길이에 해당하는 부분의 냉각수 유로 내에 냉각수 흐름을 차단하기 위한 차단재가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판은
    가스확산층과의 사이에 산화제 가스가 흐르는 캐소드 채널을 형성하는 캐소드 분리판; 및
    가스확산층과의 사이에 연료 가스가 흐르는 애노드 채널을 형성하는 애노드 분리판을 포함하고,
    상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판이 접합된 상태일 때 애노드 분리판의 냉각수 유로와 함께 냉각수 채널을 형성하는 캐소드 분리판의 냉각수 유로에서 상기 정해진 길이에 해당하는 부분 내에 차단재가 설치되며,
    상기 차단재는 냉각수 흐름 방향을 기준으로 상류측에 비해 하류측으로 갈수록 높이가 감소하는 형상으로 설치되어, 차단재가 설치된 구간에서 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수 채널의 유로 단면적이 하류측으로 가면서 커지도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 차단재가 단열재인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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