KR101976901B1 - 연료전지 단위셀 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지 단위셀은 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 평면 및 저면에 각각 배치된 기체 확산층; 상기 기체 확산층 상부에 배치되어 반응기체 및 냉각수가 유동되는 분리판; 및 반응기체와 물이 각각 유동될 수 있도록 다수의 제1 홀(Hole)이 형성된 제1 다공부와 상기 제1 홀보다 큰 다수의 제2 홀이 형성되어 상기 제1 다공부 하부에 배치된 제2 다공부로 구성된 다공체 유닛;을 포함한다.

Description

연료전지 단위셀{UNIT CELL OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지 단위셀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 응축수 배출이 용이하도록 기공 크기가 서로 상이한 반응기체 확산부 및 응축수 배출부를 포함하는 다공체를 구비하여 응축수 배출 및 반응기체 흐름을 원활히 할 수 있는 연료전지 단위셀에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.

이러한 연료전지 중 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 비교적 낮은 온도에서 작동 가능하며, 빠른 시동 및 응답 특성을 갖는 바, 차량의 구동 전력 공급용으로 주로 사용된다.

도 1은 종래 일반적인 연료전지 단위셀의 단면을 보여주는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 일반적인 연료전지의 단위셀은 수소 이온이 이동되는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학 반응이 일어나는 촉매 전극층이 부착된 막전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly, 20)와 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기 에너지를 전달하는 기체 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer, 30)와 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하는 가스켓 및 반응기체들과 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate, 10)을 포함하여 구성된다.

상기와 같이 마련된 단위셀은 필요한 수만큼 적층하여 연료전지를 구성한다.

이때, 기체 확산층(30)은 막 전극 접합체(20)의 표면에 부착되어 반응기체인 수소 및 산소(공기)를 공급하고, 전기화학 반응에 의해 생성된 전자의 이동 및 물을 배출시켜 연료전지 셀 내 플러딩(Flooding) 현상을 최소화시킨다.

최근 연료전지의 성능을 극대화하기 위해 분리판에 다공성 부재를 구비하여 기체의 확산통로를 확보하면서 기체 확산층(30)과 막 전극 접합체(20)의 면압을 균일하게 하고 기체 확산층(30)의 전면에 일정한 투과성을 갖도록 하는 다공체(50)를 를 적용한 연료전지가 개발되고 있다.

이러한 다공체(50)는 금속(Metal) 폼(foam), 탄소(Carbon) 폼, 와이어 메쉬(Wire Mesh) 등의 전도성 재질로 제조되며, 규칙적인 다공 구조를 갖도록 형성되어 반응기체의 확산성을 향상시키고, 생성된 응축수(W)가 용이하게 배출되도록 하며, 면압을 균일하게 분포시키는 기능을 갖는다.

그러나 상기와 같이 마련된 다공체(50)를 유로로 하는 연료전지의 단위셀은 미세기공을 통한 국부적인 기체 확산성은 향상되나, 반응기체 및 응측수(W)의 흐름 제어가 불가능하여 반응 면적을 효율적으로 이용할 수 없는 문제점을 가지고 있었으며, 연료전지 운전시 수분 응축으로 인한 국부적으로 다공체(50)의 기공이 막히는 현상이 발생되어 운전 안전성이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.

이에, 등간격 이격되어 배치되는 채널 격벽(11)을 마련하여 다공체(50)를 균등하게 분할시킴으로써 반응기체의 공급을 균일하게 하는 기술이 개발되었다.

도 2는 종래 채널 격벽에 의해 균등하게 분할된 다공체가 적용된 연료전지의 단위셀에서 응축수(W)에 막힘을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 종래 채널 격벽에 의해 균등하게 분할된 다공체가 적용된 연료전지의 단위셀을 중성자 가시화를 이용한 평가 결과를 보여주는 사진이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 채널 격벽이 적용된 연료전지의 단위셀은 채널 격벽(11) 주위에 발생된 응축수(W)가 원활하게 배출되지 못하고 기공을 폐쇄시킴으로써, 국부적으로 반응기체 유로를 폐쇄시킴에 따라 기체 확산성을 저하시키는 것을 알 수 있다.

이처럼 발생된 응축수를 원활히 배출시키지 못하여 응축수로 인한 연료전지 성능 및 수명이 저하되는 문제점을 해결하지 못하였다.

상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

공개특허공보 제10-2012-0048056호(2012. 05. 15.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 연료전지 스택 내 반응기체 및 냉각수의 흐름을 원활히 하고, 단위셀 내에서 생성된 물 배출을 원활히 하는 연료전지 단위셀을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위셀은 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 평면 및 저면에 각각 배치된 기체 확산층; 상기 기체 확산층 상부에 배치되어 반응기체 및 냉각수가 유동되는 분리판; 및 반응기체와 물이 각각 유동될 수 있도록 다수의 제1 홀(Hole)이 형성된 제1 다공부와 상기 제1 홀보다 큰 다수의 제2 홀이 형성되어 상기 제1 다공부 하부에 배치된 제2 다공부로 구성된 다공체 유닛;을 포함한다.

상기 분리판은, 중력방향으로 그 내부를 복수의 구간으로 구획하는 복수의 채널 격벽이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 다공체 유닛은, 상기 제2 다공부가 상기 채널 격벽의 평면과 접촉되도록 상기 채널 격벽 상부에 설치되되, 상기 제2 다공부의 부피는 제1 다공부의 부피보다 작은 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제2 다공부는, 상기 매니폴드 유입부에서 상기 매니폴드 출구부 방향으로 갈수록, 그 단면적이 증가되는 것이 바람직하다.

상기 제2 홀은, 상기 매니폴드 유입부에서 상기 매니폴드 출구부 방향으로 갈수록, 그 크기가 증가되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 단위셀은 반응기체가 유입 및 배출되는 매니폴드 유입부 및 매니폴드 출구부가 형성되고 중력방향으로 복수의 채널 격벽이 이격 배치된 프레임; 상기 프레임 내부에 설치되는 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 평면 및 저면에 각각 부착된 기체 확산층; 상기 기체 확산층 상부에 배치되어 상기 반응기체 및 냉각수가 유동되는 분리판; 및 반응기체가 유동되는 기체 다공부재가 상기 프레임 내부에 설치되되, 물이 유동되는 응축수 유동로를 형성되도록 상기 채널 격벽 상방으로 이격 배치된 기체 다공부재;를 포함한다.

상기 응축수 유동로는, 상기 매니폴드 유입부에서 상기 매니폴드 출구부 방향으로 갈수록, 그 단면적이 증가되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 다공체 유닛 내에서 반응기체 및 응축수가 분리되어 유동되도록 구성함으로써, 반응기체의 흐름을 원활히 하면서 동시에, 연료전지 작동시 발생되는 응축수의 배출 성능을 향상시켜 연료전지의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 일반적인 연료전지 단위셀의 단면을 보여주는 도면이고,
도 2는 종래 채널 격벽에 의해 균등하게 분할된 다공체가 적용된 연료전지의 단위셀에서 응축수에 막힘을 설명하기 위한 도면이며,
도 3은 종래 채널 격벽에 의해 균등하게 분할된 다공체가 적용된 연료전지의 단위셀을 중성자 가시화를 이용한 평가 결과를 보여주는 사진이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위셀의 단면을 보여주는 도면이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 홀 및 제2 홀을 설명하기 위한 도면이고,
도 6 및 도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 다공체 유닛을 설명하기 위한 도면이고,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 단위셀의 단면을 보여주는 도면이며,
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 제1 다공부를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위셀의 단면을 보여주는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위셀은 막전극 접합체(200), 기체 확산층(300), 분리판(100)이 순차적으로 적층되며, 분리판(100)과 기체 확산층(300) 사이에 개재되어 다공체 유닛(500)으로 구성된다.

이때, 다공체 유닛(500)은 반응기체 및 응축수가 모세관압 차에 따라 분리 배출될 수 있도록 기공의 크기가 서로 상이한 제1 다공부(510)와 제2 다공부(520)가 적층되되 중력방향으로 하부에 상대적으로 기공의 크기가 큰 제2 다공부(520)가 위치되고 그 상부, 즉 중력방향으로 상부에 상대적으로 기공의 크기가 작은 제1 다공부(510)가 배치되는 것이 바람직하다. 여기서 '중력방향'이라 함은 중력에 의해 응축수가 유동되어 흘러나가는 방향을 의미한다. 예를 들어 도 6과 같이 분리판(100)이 설치된 경우 반응기체가 흐르는 길이방향과 수직인 방향이 중력방향이고, 특히 도 6의 상부에서 하부로 향하는 방향이 중력방향을 기준으로 상부에서 하부로 향하는 방향을 의미한다.

왜냐하면, 응축수는 반응기체에 비하여 무겁기 때문에 하방으로 이동되는 경향을 갖기 때문에 응축수가 유동되는 제2 다공부(520)를 제1 다공부(510)의 하부에 위치시킴으로써 반응기체 및 응축수의 유동을 원활히 할 수 있기 때문이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 홀 및 제2 홀을 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 다공부(510)와 제2 다공부(520)는 그 내부로 각각 반응가스 및 응축수가 유동될 수 있도록 각각 다수의 제1 홀(511) 및 제2 홀(521) 형성된 다공구조로 형성되는데, 제2 다공부(520)에 형성되는 제2 홀(521)은 제1 다공부(510)에 형성된 제1 홀(511)에 비하여 크게 형성되는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 응축수가 유동되는 제2 홀(521)을 반응기체가 유동되는 제1 홀(511)에 비하여 크게 형성함으로써, 응축수의 유동을 원활히 하여 응축수의 표면장력으로 인한 유로막힘 현상이 발생되는 것을 최소화 할 수 있기 때문이다.

보다 바람직하게, 상기 제2 홀(521)은 제1 홀(511)과 단축의 길이는 동일하되 장축의 길이가 더 크게 형성되되, 응축수의 표면장력에 의하여 막힘현상이 발생되지 않는 크기로 형성된다.

이에, 발생된 응축수의 배출을 원활히 함으로써, 반응기체의 흐름을 원활히 하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공체 유닛을 설명하기 위한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판(100)은 길이방향으로 일측에 반응기체가 유입되는 매니폴드 유입부(110)가 형성되고 타측에는 발생된 응축수 및 반응기체가 배출되는 매니폴드 출구부(120)가 형성되며, 그 내부를 중력방향으로 복수의 구간으로 구획하는 복수의 채널 격벽(130)이 형성될 수 있다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공체 유닛(500)은 중력방향으로 제2 다공부(520) 상부에 제1 다공부(510)가 적층되어 채널 격벽(130)에 의해 구획된 내부공간에 위치되는데, 반응기체가 유동되는 유로를 제공하는 제1 다공부(510)의 부피는 응축수가 유동되는 유로를 제공하는 제2 다공부(520)의 부피보다 크게 형성되는데, 보다 구체적으로, 제2 다공부(520)의 부피는 제1 다공부(510)의 부피의 1/3이하로 형성되는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 본발명의 일 실시예에 따른 다공체 유닛(500)은 반응기체가 주 흐름을 이루며, 반응기체에 비하여 발생된 응축수의 량은 미미한 정도로 제2 다공부(520)는 연료전지 운전중 발생된 응축수를 배출시킬 수 있는 최소한의 크기로 형성하여 반응기체 유동을 극대화함으로써 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있기 때문이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다공체 유닛을 설명하기 위한 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 다른 제2 다공부(520)는 매니폴드 유입부(110)에서 매니폴드 출구부(120) 방향으로 갈수록 그 단면적이 증가되도록 형성되는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 응축수는 연료전지 운전 중 반응가스가 반응되면서 발생되는 부산물로써, 반응가스가 유입되는 매니폴드 유입부(110)에 비하여 매니폴드 출구부(120)로 갈수록 생성량이 증가되기 때문에 매니폴드 출구부(120) 방향으로 갈수록 응축수가 유동될 수 있는 면적을 증가시켜 응축수 배출을 원활히 할 수 있기 때문이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 단위셀의 단면을 보여주는 도면이며, 도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 제1 다공부를 설명하기 위한 도면이다.

도 8 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 단위 셀은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위 셀과 동일한 구조로 형성되되, 제2 다공부(520)를 제거하여 발생된 응축수가 유동되는 응축수 유동로(600)가 형성할 수 있다.

이에, 연료전지 운전 중 발생된 응축수가 중력에 의해 채널 격벽(130) 위로 떨어져 채널 격벽(130)을 따라 매니폴드 출구부(120) 방향으로 이동되도록 구성함으로써, 응축수 배출 및 반응기체 흐름을 원활히 함으로써, 연료전지의 수명 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

100: 분리판 110: 매니폴드 유입부
120: 매니폴드 출구부 130: 채널 격벽
200: 막전극 접합체 300: 기체 확산층
500: 다공체 유닛 510: 제1 다공부
511: 제1 홀 520: 제2 다공부
521: 제2 홀 600: 응축수 유동로

Claims (7)

1. 막전극 접합체;
   상기 막전극 접합체의 일면 및 타면에 각각 배치된 기체 확산층;
   상기 기체 확산층의 표면에 배치되어 반응기체 및 냉각수가 유동되되, 반응기체가 흐르는 길이방향으로 일측에 반응기체가 유입되는 매니폴드 유입부가 형성되고, 타측에는 발생된 응축수 및 반응기체가 배출되는 매니폴드 출구부가 형성되며, 그 내부를 반응기체가 흐르는 길이방향과 수직인 중력방향을 따라 복수의 구간으로 구획하는 복수의 채널 격벽이 형성되는 분리판; 및
   상기 기체 확산층과 분리판 사이에 개재되어 반응기체와 물이 각각 유동될 수 있도록 다수의 제1 홀(Hole)이 형성된 제1 다공부와 상기 제1 홀보다 큰 다수의 제2 홀이 형성되어 반응기체가 흐르는 길이방향과 수직인 중력방향을 기준으로 상기 제1 다공부의 하부에 배치된 제2 다공부로 구성된 다공체 유닛;을 포함하고,
   상기 다공체 유닛은, 상기 제2 다공부가 상기 각각의 채널 격벽과 접촉되도록 반응기체가 흐르는 길이방향과 수직인 중력방향을 기준으로 상기 각각의 채널 격벽의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 단위셀.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 다공부의 부피는 제1 다공부의 부피보다 작은 것을 특징으로 하는, 연료전지 단위셀.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 다공부는,
   상기 매니폴드 유입부에서 상기 매니폴드 출구부 방향으로 갈수록, 그 단면적이 증가되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 단위셀.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 홀은,
   상기 매니폴드 유입부에서 상기 매니폴드 출구부 방향으로 갈수록, 그 크기가 증가되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 단위셀.
   
6. 삭제
7. 삭제

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