KR102027764B1 - 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

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이종호
윤경중
이상혁
배용균
김동환
홍종섭
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한국과학기술연구원
연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하여 내구성이 향상된 연료전지 스택, 구체적으로 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 분리판에 특정한 형상, 위치 및 크기로 배출 매니폴드 및 유입 매니폴드를 형성함으로써, 연료전지 스택 내에서 산화제와 연료가 카운터-플로우(Counter-flow) 및 크로스-플로우(Cross-flow) 방식으로 흐를 수 있도록 한 것이다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지 스택은 각 단위전지 간의 온도, 반응물 농도, 전력 등에 편차가 발생하지 않아 층간 박리, 미세 균열 등이 생기지 않고, 부피가 최소화되어 단위 부피당 출력 밀도가 굉장히 높다는 특징이 있다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택{A SEPARATOR FOR A FUEL CELL AND A FUEL CELL STACK COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하여 내구성이 향상된 연료전지 스택, 구체적으로 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)는 수소뿐만 아니라 천연가스, 프로판 가스, LPG 등의 기존 탄화수소계열 연료와 바이오 연료 등 미래 대체 연료까지도 고가의 외부 개질기 없이 내부 개질을 통하여 자유롭게 연료로 사용할 수 있다. 또한 연료 변환 효율이 매우 높아 가장 유력한 미래 동력원의 하나로 집중 조명을 받고 있다.
SOFC 단위전지는 공기극, 연료극 및 그 사이에 위치하는 전해질로 구성되며 공기극에는 공기 또는 산소 등의 산화제, 연료극에는 수소 또는 탄화수소 등의 연료가 공급된다. 공기극과 연료극이 외부 회로로 연결될 경우 공기극과 연료극의 산소 분압차로 인하여 공기극에서 산소가 환원되고, 산소 이온이 이온 전도체인 전해질을 통해서 연료극으로 전도된다. 연료극에서는 산소 이온이 H2 또는 CO 연료와 반응하여 H2O, CO2 및 열을 발생시키며 이 때 방출된 전자는 외부 회로를 통하여 공기극으로 이동하는 과정에서 전기적 일을 실행한다.
전력 수요에 따라 복수의 SOFC 단위전지를 상호 연결하여 스택을 형성하며, 그에 따라 수W에서 MW급 이상까지 광범위한 용량의 시스템을 구성할 수 있기 때문에 SOFC는 휴대 전원부터 가정용, 건물용, 수송용, 대규모 발전용까지 다양한 응용 범위를 갖는다.
SOFC 단위전지는 그 형태에 따라 원통형과 평판형으로 구분된다. 평판형의 장점은 전류가 단위전지에 수직한 방향으로 흐르기 때문에 평면 내(in-plane) 저항으로 인한 성능 손실이 매우 작다는 것이다. 또한 원통형에 비하여 스택을 조밀하게 제작할 수 있기 때문에 단위 부피당 출력 밀도가 매우 높다.
다만 평판형은 원통형에 비하여 열기계적 특성이 취약하고, 열사이클 시 안정성이 낮다는 단점이 있다. SOFC가 600℃ ~ 1,000℃에 이르는 고온의 영역에서 운전이 이루어진다는 점에 비추어 열안정성이 낮다는 것은 굉장히 치명적인 단점이 될 수 있다.
평판형의 열안정성을 높여 내구성을 향상시키기 위해 한국공개특허 특2003-0076259호, 미국등록특허 6,569,554호는 디스크 형상의 평판형 단위전지를 제시하였으나, 이와 같은 단위전지를 스택으로 제작하면 각 단위전지 간의 온도, 반응물 농도, 압력, 전류 등에 편차가 발생하고, 그에 따라 스택 내에서 열적, 기계적, 화학적, 전기적 응력이 생겨 여전히 내구성이 좋지 않다는 한계가 있었다. 특히 산화제 또는 연료의 유입 매니폴드와 배출 매니폴드에서 온도와 반응량의 분포가 균일하지 않아 층간 박리, 미세 균열이 생기는 등 내구성이 굉장히 떨어지는 모습을 보였다.
한국공개특허 특2003-0076259호 미국등록특허 6,569,554호
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고, SOFC의 성능을 더욱 향상시키기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 다음과 같다.
본 발명의 목적은 전체적인 온도를 최대한 균일하게 유지할 수 있는 연료전지용 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 목적은 단위 부피당 출력 밀도를 더욱 높일 수 있는 연료전지용 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 사각 형상의 중심부; 및 상기 중심부를 둘러싸고 배치되는 주변부;를 포함하고, 상기 주변부는 상기 중심부의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리 측에 위치하고, 관통 형성된 제1 배출 매니폴드, 상기 중심부의 서로 대향되는 다른 한 쌍의 모서리 측에 위치하고, 관통 형성된 제2 배출 매니폴드, 상기 제1 배출 매니폴드와 상기 제2 배출 매니폴드 사이에서 상기 중심부의 변을 따라 위치하되, 상기 제2 배출 매니폴드와 인접한 위치에 관통 형성된 제1 유입 매니폴드 및 상기 제1 배출 매니폴드와 상기 제2 배출 매니폴드 사이에서 상기 중심부의 변을 따라 위치하되, 상기 제1 배출 매니폴드와 인접한 위치에 관통 형성된 제2 유입 매니폴드를 포함할 수 있다.
상기 제1 배출 매니폴드는 타원 형상이며, 상기 중심부의 모서리로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형성한 가상의 선이 상기 중심부의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리를 모두 통과하는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제1 배출 매니폴드는 타원 형상이며, 상기 중심부의 모서리로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형성한 가상의 선과 상기 중심부의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리를 모두 통과하는 가상의 선이 이루는 각도가 0° 내지 90°가 되는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제1 배출 매니폴드는 이하의 수학식1 및 수학식2를 만족하는 위치에 형성될 수 있다.
[수학식1]
Figure 112018031649196-pat00001
여기서, a1은 상기 제1 배출 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 모서리를 구성하는 어느 한 변의 길이이고, x1,out은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선과 상기 제1 배출 매니폴드의 중심점 간의 최단 길이이다.
[수학식2]
Figure 112018031649196-pat00002
여기서, a1'는 상기 제1 배출 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 모서리를 구성하는 다른 한 변의 길이이고, y1 ,out은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선과 상기 제1 배출 매니폴드의 중심점 간의 최단 길이이다.
상기 제1 배출 매니폴드는 이하의 수학식3 및 수학식4를 만족하는 타원 형상일 수 있다.
[수학식3]
Figure 112018031649196-pat00003
여기서, 상기 r11 ,out은 상기 제1 배출 매니폴드의 긴 반지름이고, 상기 L은 상기 중심부의 서로 대향되는 모서리 간의 거리이다.
[수학식4]
Figure 112018031649196-pat00004
여기서, r11 ,out은 상기 제1 배출 매니폴드의 긴 반지름이고, 상기 r12 ,out은 상기 제1 배출 매니폴드의 짧은 반지름이다.
상기 제2 배출 매니폴드는 타원 형상이며, 상기 중심부의 모서리로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형성한 가상의 선이 상기 중심부의 서로 대향되는 다른 한 쌍의 모서리를 모두 통과하는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제2 배출 매니폴드는 타원 형상이며, 상기 중심부의 모서리로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형상한 가상의 선과 상기 중심부의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리를 모두 통과하는 가상의 선이 이루는 각도가 0° 내지 90°가 되는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제2 배출 매니폴드는 이하의 수학식5 및 수학식6을 만족하는 위치에 형성될 수 있다.
[수학식5]
Figure 112018031649196-pat00005
여기서, a2는 상기 제2 배출 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 모서리를 구성하는 어느 한 변의 길이이고, x2,out은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선과 상기 제2 배출 매니폴드의 중심점 간의 최단 길이이다.
[수학식6]
Figure 112018031649196-pat00006
여기서, a2'는 상기 제2 배출 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 모서리를 구성하는 다른 한 변의 길이이고, y2 ,out은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선과 상기 제2 배출 매니폴드의 중심점 간의 최단 길이이다.
상기 제2 배출 매니폴드는 이하의 수학식7 및 수학식8을 만족하는 타원 형상일 수 있다.
[수학식7]
Figure 112018031649196-pat00007
여기서, 상기 r21 ,out은 상기 제2 배출 매니폴드의 긴 반지름이고, 상기 L은 상기 중심부의 서로 대향되는 모서리 간의 거리이다.
[수학식8]
Figure 112018031649196-pat00008
여기서, r21 ,out은 상기 제2 배출 매니폴드의 긴 반지름이고, 상기 r22 ,out은 상기 제2 배출 매니폴드의 짧은 반지름이다.
상기 제1 유입 매니폴드 및 상기 제2 유입 매니폴드는 서로 같거나 다른 반지름을 갖고 일정 거리 이격되어 있는 반원의 끝단이 직선으로 연결된 형상이되, 상기 반원의 끝단을 연결하는 직선 중 하나 또는 그 이상이 상기 중심부의 변과 평행 또는 평행에 가까운 상태를 이루고 있는 형상으로 관통 형성된 것일 수 있다.
상기 제1 유입 매니폴드 및 상기 제2 유입 매니폴드는 양 끝단이 서로 다른 반지름을 갖는 반원의 형상이되, 상기 반원 중 반지름이 긴 반원이 상기 중심부의 모서리 측을 향하여 위치하며, 상기 반원의 끝단을 연결하는 직선 중 상기 중심부와 가까운 것이 상기 중심부의 변과 평행을 이루고 있는 형상으로 관통 형성된 것일 수 있다.
상기 제1 유입 매니폴드 및 제2 유입 매니폴드는 상기 반원의 끝단을 연결하는 직선 중 상기 중심부와 먼 것이 상기 중심부의 변과 0° 초과 및 45° 이하의 각도를 이루는 형상으로 관통 형성된 것인 연료전지용 분리판.
상기 제1 유입 매니폴드는 이하의 수학식9 및 수학식10을 만족하는 크기로 형성된 것일 수 있다.
[수학식9]
Figure 112018031649196-pat00009
여기서, r1 ,in은 제1 유입 매니폴드의 양 끝단에 위치하는 반원의 반지름이고, a3는 제1 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 한 변의 길이이다.
[수학식10]
Figure 112018031649196-pat00010
여기서, d1은 제1 유입 매니폴드의 양 끝단에 위치하는 반원의 중심 간의 직선 거리이고, a3는 제1 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 한 변의 길이이다.
상기 제1 유입 매니폴드는 이하의 수학식11 및 수학식12를 만족하는 위치에 형성될 수 있다.
[수학식11]
Figure 112018031649196-pat00011
여기서, a3는 상기 제1 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 어느 한 변의 길이이고, x1,in은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선과 제1 유입 매니폴드의 무게 중심 간의 최단 길이이다.
[수학식12]
Figure 112018031649196-pat00012
여기서, a3'는 상기 제1 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 어느 한 변과 연결된 다른 한 변의 길이이고, y1 ,in은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선과 제1 유입 매니폴드의 무게 중심 간의 최단 길이이다.
상기 제2 유입 매니폴드는 이하의 수학식13 및 수학식14을 만족하는 크기로 형성된 것일 수 있다.
[수학식13]
Figure 112018031649196-pat00013
여기서, r2 ,in은 제2 유입 매니폴드의 양 끝단에 위치하는 반원의 반지름이고, a4는 제2 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 한 변의 길이이다.
[수학식14]
Figure 112018031649196-pat00014
여기서, d2는 제2 유입 매니폴드의 양 끝단에 위치하는 반원의 중심 간의 직선 거리이고, a4는 제2 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 한 변의 길이이다.
상기 제2 유입 매니폴드는 이하의 수학식15 및 수학식16을 만족하는 위치에 형성될 수 있다.
[수학식15]
Figure 112018031649196-pat00015
여기서, a4는 상기 제2 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 어느 한 변의 길이이고, x2,in은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선과 제2 유입 매니폴드의 무게 중심 간의 최단 길이이다.
[수학식16]
Figure 112018031649196-pat00016
여기서, a4'는 상기 제2 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 어느 한 변과 연결된 다른 한 변의 길이이고, y2 ,in은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선과 제2 유입 매니폴드의 무게 중심 간의 최단 길이이다.
상기 제1 배출 매니폴드는 제2 배출 매니폴드에 비해 더 넓은 면적으로 관통 형성된 것이고, 상기 제1 유입 매니폴드는 제2 유입 매니폴드에 비해 더 넓은 면적으로 관통 형성된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위전지와 상기 분리판이 교대로 적층된 것일 수 있다.
상기 중심부의 어느 한 변과 평행한 가상의 선을 따라 위치한 제1 유입 매니폴드로 유입된 산화제는 상기 공기극을 거친 뒤, 상기 가상의 선을 따라 위치한 제1 배출 매니폴드로 배출되고, 상기 중심부의 어느 한 변과 평행한 가상의 선을 따라 위치한 제2 유입 매니폴드로 유입된 연료는 상기 연료극을 거친 뒤, 상기 가상의 선을 따라 위치한 제2 배출 매니폴드로 배출될 수 있다.
상기 연료전지 스택은 산화제와 연료가 크로스-플로우(Cross-flow) 및 카운터-플로우(Counter-flow) 방식으로 흐르는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 사용하면 산화제와 연료가 연료전지 스택 내에서 카운터-플로우(Counter-flow) 방식으로 흐를 수 있어 각 단위전지의 열편차를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 사용하면 단위전지를 둘러 싼 4면에서 산화제와 연료가 유입되는 형태로 크로스-플로우(Cross-flow)를 형성하므로 스택의 부피를 최소화할 수 있어 단위 부피당 출력 밀도를 상당히 높일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 카운터-플로우형 스택 구조 및 크로우-플로우형 스택 구조이기 때문에 위와 같이 양 스택 구조의 장점을 모두 갖는다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 요부를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택에 포함된 단위전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택에 포함된 분리판의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택에 포함된 분리판의 평면도 이다.
도 6은 상기 분리판의 제1 배출 매니폴드의 형상 및 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 7은 상기 분리판의 제1 배출 매니폴드의 형상을 설명하기 위한 참고도이다.
도 8은 상기 분리판의 제1 배출 매니폴드의 타원 형상을 설명하기 위한 참고도이다.
도 9는 상기 분리판의 제1 배출 매니폴드의 형상을 도시한 것이다.
도 10은 상기 분리판의 제2 배출 매니폴드의 형상 및 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 11은 상기 분리판의 제2 배출 매니폴드의 형상을 설명하기 위한 참고도이다.
도 12는 상기 분리판의 제2 배출 매니폴드의 형상을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판의 제1 유입 매니폴드의 형상 및 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판의 제1 유입 매니폴드의 형상 및 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 15는 상기 분리판의 제1 유입 매니폴드의 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판의 제2 유입 매니폴드의 형상 및 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판의 제2 유입 매니폴드의 형상 및 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 18은 상기 분리판의 제2 유입 매니폴드의 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 내에서의 산화제 흐름을 도시한 것이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 내에서의 연료 흐름을 도시한 것이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 내에서 카운터-플로우를 형성하는 산화제와 연료의 일 흐름을 도시한 것이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 내에서 카운터-플로우를 형성하는 산화제와 연료의 다른 흐름을 도시한 것이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 내에서 크로스-플로우를 형성하는 산화제와 연료의 일 흐름을 도시한 것이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 내에서 크로스-플로우를 형성하는 산화제와 연료의 다른 흐름을 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(1)의 요부를 도시한 분해 사시도이다. 이를 참조하면, 상기 연료전지 스택(1)은 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위전지(10)와 분리판(20)이 교대로 적층된 것일 수 있다. 도 2는 도 1의 단위전지(10)와 분리판(20)을 교대로 적층시켜 얻어진 연료전지 스택(1)의 사시도이다.
상기 연료전지 스택(1)은, 일예로 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택일 수 있다.
도 3은 상기 단위전지(10)의 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 단위전지(10)는 공기극(11), 전해질(12) 및 연료극(13)을 포함할 수 있다.
상기 공기극(11)으로 공기, 산소 등의 산화제를 공급하면 이하의 화학식1과 같은 반응이 일어나 산소이온이 발생한다.
[화학식1]
1/2O2 + 2e- → O2 -
상기 산소이온은 전해질(12)을 통해 연료극(13)으로 이동한다.
상기 연료극(13)에 수소, 탄화수소 등의 연료를 공급하면 이하의 화학식2와 같이 상기 산소이온과 연료가 반응하여 물을 생성하면서 전자를 방출한다.
[화학식2]
O2 - + H2 → H2O + 2e-
공기극(11)에서 산화제로부터 형성된 산소이온은 산소이온의 농도 구배에 따라 연료극(13) 쪽으로 이동하고, 전자는 공기극(11)과 연료극(13)을 전기적으로 연결하는 외부 회로를 따라 연료극(13)에서 공기극(11)으로 흐르게 된다.
여기서 상기 전해질(12)은 산화제와 연료의 투과를 차단하며, 전자전도성은 없으나 산소이온을 투과시킬 수 있다.
이와 같이 산소이온이 공기극(11)에서 연료극(13)으로 이동하며 전체적인 전하의 평형을 유지한다면 연료의 산화반응을 통해 유용한 전력을 생산할 수 있다. 이때 반응 부산물로는 순수한 물과 열만 배출되어 이 또한 유용하게 활용할 수 있다.
상기 단위전지(10)는 상기 공기극(11)과 분리판(20) 사이 및/또는 상기 연료극(13)과 분리판(20) 사이에 집전체(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판(20)의 평면도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판(20)의 평면도이다. 이를 참조하면, 상기 분리판(20)은 스택을 구성할 때 상기 단위전지(10)와 맞닿는 위치에 형성되는 중심부(21); 및 상기 중심부(21)를 둘러싸고 산화제 또는 연료의 유입 또는 유출을 위해 관통 형성되어 있는 매니폴드(221, 222, 223, 224)를 포함하는 주변부(22)를 포함할 수 있다.
상기 중심부(21)와 매니폴드(221, 222, 223, 224)는 서로 겹치지 않고 구획되어 있는 것일 수 있다.
상기 중심부(21)는 상기 단위전지(10)와 동일 또는 유사한 형상 및 크기를 갖는 것일 수 있다. 구체적으로는 정사각형, 직사각형 등의 사각 형상의 것일 수 있고, 상기 단위전지(10)의 전부 또는 일부를 덮는 크기의 것일 수 있다. 도 4 내지 도 18은 상기 중심부(21)가 정사각형인 경우를 상정하여 본 발명을 설명한 것이지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 사각 형상 또는 이로부터 용이하게 변경하여 실시할 수 있는 형상인 중심부(21)를 포함하는 분리판(20)으로 해석되어야 할 것이다.
상기 중심부(21)는 특정한 형상 또는 형태를 갖는 실체적인 구성으로 형성되어 있는 것일 수도 있고, 상기 분리판(20) 상에서 개념적으로 구분되는 구성일 수도 있다.
상기 중심부(21)는 상기 단위전지(10)에 산화제 또는 연료를 안내하기 위한 순환유로(미도시)가 구비된 것일 수도 있다.
상기 주변부(22)는 상기 중심부(21)의 주변으로 확장된 특정 형상 및 크기의 공간을 의미하며, 산화제의 배출을 위한 제1 배출 매니폴드(221), 연료의 배출을 위한 제2 배출 매니폴드(222), 산화제의 유입을 위한 제1 유입 매니폴드(223) 및 연료의 유입을 위한 제2 유입 매니폴드(224)를 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 주변부(22)에 특정한 형상 및 위치의 제1 배출 매니폴드(221), 제2 배출 매니폴드(222), 제1 유입 매니폴드(223) 및 제2 유입 매니폴드(224)를 형성하여 연료전지 스택(1) 내부에서 산화제 및 연료의 유동 분포를 조절하고, 연료전지 스택(1)의 부피를 최소화한 것에 그 기술적 특징이 있다.
구체적으로 상기 제1 배출 매니폴드(221), 제2 배출 매니폴드(222), 제1 유입 매니폴드(223) 및 제2 유입 매니폴드(224)를 상기 중심부(21)의 모서리 부근에 위치시켜 연료전지 스택(1) 내에서 산화제와 연료가 카운터-플로우(Counter-flow) 및 크로스-플로우(Cross-flow)를 동시에 형성할 수 있도록 하였다.
도 6은 제1 배출 매니폴드(221)의 형상 및 위치를 설명하기 위한 참고도이다. 이를 참조하면, 상기 제1 배출 매니폴드(221)는 상기 중심부(21)의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리(A1, A1') 측에 위치하고 관통 형성된 것일 수 있다.
본 명세서에서 "중심부의 모서리 측"이라는 것은 중심부(21)로 규정되는 공간과 구획된 주변부(22)에 위치하되, 상기 중심부(21)의 모서리에 가까운 곳을 의미한다.
구체적으로 상기 제1 배출 매니폴드(221)는 타원 형상이며, 상기 중심부(21)의 모서리(A1, A1')로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형성한 가상의 선(B1)이 상기 중심부(21)의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리(A1, A1')를 모두 통과하는 형상으로 형성될 수 있다.
또한 도 7과 같이 상기 제1 배출 매니폴드(221)는 타원 형상이며, 상기 중심부(21)의 모서리(A1)로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형성한 가상의 선(B1)과 상기 중심부(21)의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리(A1, A1')를 모두 통과하는 가상의 선(B1')이 이루는 각도(θ1,out)가 0° 내지 90°가 되는 형상으로 형성될 수 있다.
또한 상기 제1 배출 매니폴드(221)는 이하의 수학식1 및 수학식2를 만족하는 위치에 형성될 수 있다.
[수학식1]
Figure 112018031649196-pat00017
여기서, a1은 상기 제1 배출 매니폴드(221)와 인접한 상기 중심부(21)의 모서리(A1, A1')를 구성하는 어느 한 변의 길이이고, x1,out은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선(B2)과 상기 제1 배출 매니폴드(221)의 중심점(타원의 중심) 간의 최단 길이이다.
[수학식2]
Figure 112018031649196-pat00018
여기서, a1'는 상기 제1 배출 매니폴드(221)와 인접한 상기 중심부(21)의 모서리(A1, A1')를 구성하는 다른 한 변의 길이이고, y1 ,out은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선(B3)과 상기 제1 배출 매니폴드(221)의 중심점(타원의 중심) 간의 최단 길이이다.
도 8 및 도 9는 제1 배출 매니폴드(221)의 타원 형상을 설명하기 위한 참고도이다. 이를 참조하면, 상기 제1 배출 매니폴드(221)는 이하의 수학식3 및 수학식4를 만족하는 타원 형상일 수 있다.
[수학식3]
Figure 112018031649196-pat00019
여기서, 상기 r11 ,out은 상기 제1 배출 매니폴드(221)의 긴 반지름이고, 상기 L은 상기 중심부(21)의 서로 대향되는 모서리 간의 거리이다.
[수학식4]
Figure 112018031649196-pat00020
여기서, r11 ,out은 상기 제1 배출 매니폴드(221)의 긴 반지름이고, 상기 r12 ,out은 상기 제1 배출 매니폴드(221)의 짧은 반지름이다.
도 10은 제2 배출 매니폴드(222)의 형상 및 위치를 설명하기 위한 참고도이다. 이를 참조하면, 상기 제2 배출 매니폴드(222)는 상기 중심부(21)의 서로 대향되는 다른 한 쌍의 모서리(A2, A2') 측에 위치하고 관통 형성된 것일 수 있다.
구체적으로 상기 제2 배출 매니폴드(222)는 타원 형상이며, 상기 중심부(21)의 모서리(A2, A2')로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형성한 가상의 선(C1)이 상기 중심부(21)의 서로 대향되는 다른 한 쌍의 모서리(A2, A2')를 모두 통과하는 위치에 형성될 수 있다.
또한 도 11과 같이 상기 제2 배출 매니폴드(222)는 타원 형상이며, 상기 중심부(21)의 모서리(A2)로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형성한 가상의 선(C1)과 상기 중심부(21)의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리(A2, A2')를 모두 통과하는 가상의 선(C1')이 이루는 각도(θ2,out)가 0° 내지 90°가 되는 형상으로 형성될 수 있다.
또한 상기 제2 배출 매니폴드(222)는 이하의 수학식5 및 수학식6을 만족하는 위치에 형성될 수 있다.
[수학식5]
Figure 112018031649196-pat00021
여기서, a2는 상기 제2 배출 매니폴드(222)와 인접한 상기 중심부(21)의 모서리(A2, A2')를 구성하는 어느 한 변의 길이이고, x2,out은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선(C2)과 상기 제2 배출 매니폴드(222)의 중심점(타원의 중심) 간의 최단 길이이다.
[수학식6]
Figure 112018031649196-pat00022
여기서, a2'는 상기 제2 배출 매니폴드(222)와 인접한 상기 중심부(21)의 모서리(A2, A2')를 구성하는 다른 한 변의 길이이고, y2 ,out은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선(C3)과 상기 제2 배출 매니폴드(222)의 중심점(타원의 중심) 간의 최단 길이이다.
도 8 및 도 12는 상기 제2 배출 매니폴드(222)의 타원 형상을 설명하기 위한 참고도이다. 이를 참조하면, 상기 제2 배출 매니폴드(222)는 이하의 수학식7 및 수학식8을 만족하는 타원 형상일 수 있다.
[수학식7]
Figure 112018031649196-pat00023
여기서, 상기 r21 ,out은 상기 제2 배출 매니폴드(222)의 긴 반지름이고, 상기 L은 상기 중심부(21)의 서로 대향되는 모서리 간의 거리이다.
[수학식8]
Figure 112018031649196-pat00024
여기서, r21 ,out은 상기 제2 배출 매니폴드(222)의 긴 반지름이고, 상기 r22 ,out은 상기 제2 배출 매니폴드(222)의 짧은 반지름이다.
상기 제1 배출 매니폴드(221)는 상기 제2 배출 매니폴드(222)에 비해 더 넓은 면적으로 관통 형성될 수 있다. 연료전지 스택(1)을 작동함에 있어서 필요한 산화제의 양이 연료의 양에 비해 더 많고, 그 유속 또한 약 10배 졍도 빠르다. 따라서 산화제가 배출되는 상기 제1 배출 매니폴드(221)와 연료가 배출되는 상기 제2 배출 매니폴드(222)를 동일 또는 유사한 면적으로 형성할 경우 연료전지 스택(1) 내에서 압력 차이가 발생하게 될 가능성이 높다. 이에 본 발명은 상기 제1 배출 매니폴드(221)를 상기 제2 배출 매니폴드(222)에 비해 넓은 면적으로 형성하여 연료전지 스택(1) 내에서 산화제의 유속을 줄이고, 이로 인한 압력 차이를 줄인 것을 기술적 특징으로 한다.
도 13은 상기 제1 유입 매니폴드(223)의 형상 및 위치를 설명하기 위한 참고도이다. 도 4 및 도 13을 참조하면, 상기 제1 유입 매니폴드(223)는 상기 제1 배출 매니폴드(221)와 제2 배출 매니폴드(222) 사이에서 인접한 상기 중심부(21)의 변을 따라 위치하되, 상기 제2 배출 매니폴드(222)와 인접한 위치에 관통 형성된 것일 수 있다.
본 명세서에서 "중심부의 변을 따라 위치한다"는 것은 중심부(21)로 규정되는 공간과 구획된 주변부(22)에 위치하되, 상기 중심부(21)의 변과 평행 또는 평행에 가까운 가상의 선 상에 위치한다는 것을 의미한다. 다만 일 구성이 중심부(21)의 변을 따라 위치한다는 것이 상기 일 구성이 전술한 가상의 선과 평행, 수직 관계 등의 특정한 관계를 맺는다는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다.
구체적으로 상기 제1 유입 매니폴드(223)는 서로 같은 반지름(r1 ,in)을 갖고 일정 거리 이격되어 있는 반원(2231)의 끝단이 직선(2232)으로 연결된 형상이되, 상기 반원(2231)의 끝단을 연결하는 직선(2232)이 상기 중심부(21)의 변과 평행 또는 평행에 가까운 상태를 이루고 있는 형상으로 관통 형성된 것일 수 있다.
상기 제1 유입 매니폴드(223)는 도 14와 같이 양 끝단이 서로 다른 반지름을 갖는 반원(2231, 2231')의 형상이되, 상기 반원(2231, 2231') 중 반지름이 긴 반원(2231)이 상기 중심부(21)의 모서리 측을 향하여 위치하며, 상기 반원(2231, 2231')의 끝단을 연결하는 직선(2232, 2232') 중 상기 중심부(21)와 가까운 것(2232')이 상기 중심부(21)의 변과 평행 또는 평행에 가까운 상태를 이루고 있는 형상으로 관통 형성된 것일 수 있다.
또한 상기 제1 유입 매니폴드(223)는 상기 반원(2231, 2231')의 끝단을 연결하는 직선(2232, 2232') 중 상기 중심부(21)와 먼 것(2232)이 상기 중심부(21)의 변(a3 또는 a3') (또는 상기 중심부(21)의 변과 평행한 가상의 선(a3''))과 0° 초과 및 45° 이하의 각도(θ1,in)를 이루는 형상으로 관통 형성된 것일 수 있다.
상기 제1 유입 매니폴드(223)를 대칭적인 형상으로 형성하면 중심부의 모서리 부근에서 유입되는 산화제의 유량과 중심부의 어느 한 변의 중간점 부근에서 유입되는 산화제의 유량이 동일 또는 유사하게 된다. 이 경우 유체역학적인 유동 저항에 의해 산화제의 흐름이 중심부에 위치할 단위전지(10)의 중앙 부근까지 원활하게 흐르지 못할 가능성이 크다. 따라서 도 14에 도시된 바와 같이 상기 제1 유입 매니플드(223)를 비대칭적으로 형성함으로써 중심부의 모서리 부근에서 유입되는 산화제의 유량을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 단위전지(10)의 중앙 부근까지 산화제가 원활하게 흐르도록 할 수 있다.
상기 제1 유입 매니폴드(223)는 이하의 수학식9 및 수학식10을 만족하는 크기로 형성될 수 있다.
[수학식9]
Figure 112018031649196-pat00025
여기서, r1 ,in은 제1 유입 매니폴드(223)의 양 끝단에 위치하는 반원(2231, 2231')의 반지름이고, a3는 제1 유입 매니폴드(223)와 인접한 상기 중심부(21)의 한 변의 길이이다.
[수학식10]
Figure 112018031649196-pat00026
여기서, d1은 제1 유입 매니폴드(223)의 양 끝단에 위치하는 반원(2231, 2231')의 중심 간의 직선 거리이고, a3는 제1 유입 매니폴드(223)와 인접한 상기 중심부(21)의 한 변의 길이이다.
도 15는 상기 제1 유입 매니폴드(223)의 위치를 설명하기 위한 참고도이다. 이를 참조하면, 상기 제1 유입 매니폴드(223)는 이하의 수학식11 및 수학식12를 만족하는 위치에 형성될 수 있다.
[수학식11]
Figure 112018031649196-pat00027
여기서, a3는 상기 제1 유입 매니폴드(223)와 인접한 상기 중심부(21)의 어느 한 변의 길이이고, x1,in은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선(D1)과 제1 유입 매니폴드(223)의 무게 중심(D2) 간의 최단 길이이다.
[수학식12]
Figure 112018031649196-pat00028
여기서, a3'는 상기 제1 유입 매니폴드(223)와 인접한 상기 중심부(21)의 어느 한 변과 연결된 다른 한 변의 길이이고, y1 ,in은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선(D3)과 제1 유입 매니폴드(223)의 무게 중심(D2) 간의 최단 길이이다.
도 16은 상기 제2 유입 매니폴드(224)의 형상 및 위치를 설명하기 위한 참고도이다. 도 4 및 도 16을 참조하면, 상기 제2 유입 매니폴드(224)는 상기 제1 배출 매니폴드(221)와 제2 배출 매니폴드(222) 사이에서 인접한 상기 중심부(21)의 변을 따라 위치하되, 상기 제1 배출 매니폴드(221)와 인접한 위치에 관통 형성된 것일 수 있다.
구체적으로 상기 제2 유입 매니폴드(224)는 서로 같은 반지름(r2 ,in)을 갖고 일정 거리 이격되어 있는 반원(2241)의 끝단이 직선(2242)으로 연결된 형상이되, 상기 반원(2241)의 끝단을 연결하는 직선(2242)이 상기 중심부(21)의 변과 평행 또는 평행에 가까운 상태를 이루고 있는 형상으로 관통 형성된 것일 수 있다.
상기 제2 유입 매니폴드(224)는 도 17과 같이 양 끝단이 서로 다른 반지름을 갖는 반원(2241, 2241')의 형상이되, 상기 반원(2241, 2241') 중 반지름이 긴 반원(2241)이 상기 중심부(21)의 모서리 측을 향하여 위치하며, 상기 반원(2241, 2241')의 끝단을 연결하는 직선(2242, 2242') 중 상기 중심부(21)와 가까운 것(2242')이 상기 중심부(21)의 변과 평행 또는 평행에 가까운 상태를 이루고 있는 형상으로 관통 형성된 것일 수 있다.
또한 상기 제2 유입 매니폴드(224)는 상기 반원(2241, 2241')의 끝단을 연결하는 직선(2242, 2242') 중 상기 중심부(21)로부터 먼 것(2242)이 상기 중심부(21)의 변(a4 또는 a4') (또는 상기 중심부(21)의 변과 평행한 가상의 선(a4''))과 0° 초과 및 45° 이하의 각도(θ2,in)를 이루는 형상으로 관통 형성된 것일 수 있다.
상기 제2 유입 매니폴드(224)를 대칭적인 형상으로 형성하면 중심부의 모서리 부근에서 유입되는 연료의 유량과 중심부의 어느 한 변의 중간점 부근에서 유입되는 연료의 유량이 동일 또는 유사하게 된다. 이 경우 유체역학적인 유동 저항에 의해 연료의 흐름이 중심부에 위치할 단위전지(10)의 중앙 부근까지 원활하게 흐르지 못할 가능성이 크다. 따라서 도 17에 도시된 바와 같이 상기 제2 유입 매니플드(224)를 비대칭적으로 형성함으로써 중심부의 모서리 부근에서 유입되는 연료의 유량을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 단위전지(10)의 중앙 부근까지 연료가 원활하게 흐르도록 할 수 있다.
상기 제2 유입 매니폴드(224)는 이하의 수학식13 및 수학식14를 만족하는 크기로 형성될 수 있다.
[수학식13]
Figure 112018031649196-pat00029
여기서, r2 ,in은 제2 유입 매니폴드(224)의 양 끝단에 위치하는 반원(2241, 2241')의 반지름이고, a4는 제2 유입 매니폴드(224)와 인접한 상기 중심부(21)의 한 변의 길이이다.
[수학식14]
Figure 112018031649196-pat00030
여기서, d2는 제2 유입 매니폴드(224)의 양 끝단에 위치하는 반원(2241, 2241')의 중심 간의 직선 거리이고, a4는 제2 유입 매니폴드(224)와 인접한 상기 중심부(21)의 한 변의 길이이다.
도 18은 상기 제2 유입 매니폴드(224)의 위치를 설명하기 위한 참고도이다. 이를 참조하면, 상기 제2 유입 매니폴드(224)는 이하의 수학식15 및 수학식16을 만족하는 위치에 형성될 수 있다.
[수학식15]
Figure 112018031649196-pat00031
여기서, a4는 상기 제2 유입 매니폴드(224)와 인접한 상기 중심부(21)의 어느 한 변의 길이이고, x2,in은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선(E1)과 제2 유입 매니폴드(224)의 무게 중심(E2) 간의 최단 길이이다.
[수학식16]
Figure 112018031649196-pat00032
여기서, a4'는 상기 제2 유입 매니폴드(224)와 인접한 상기 중심부(21)의 어느 한 변과 연결된 다른 한 변의 길이이고, y2 ,in은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선(E3)과 제2 유입 매니폴드(224)의 무게 중심(E2) 간의 최단 길이이다.
상기 제1 유입 매니폴드(223)는 상기 제2 유입 매니폴드(224)에 비해 더 넓은 면적으로 관통 형성될 수 있다. 연료전지 스택(1)을 작동함에 있어서 필요한 산화제의 양이 연료의 양에 비해 더 많고, 그 유속 또한 약 10배 졍도 빠르다. 따라서 산화제가 유입되는 상기 제1 유입 매니폴드(223)와 연료가 유입되는 상기 제2 유입 매니폴드(224)를 동일 또는 유사한 면적으로 형성할 경우 연료전지 스택(1) 내에서 압력 차이가 발생하게 될 가능성이 높다. 이에 본 발명은 상기 제1 유입 매니폴드(223)를 상기 제2 유입 매니폴드(224)에 비해 넓은 면적으로 형성하여 연료전지 스택(1) 내에서 산화제의 유속을 줄이고, 이로 인한 압력 차이를 줄인 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 분리판(20)은 제1 유입 매니폴드(223)와 제2 유입 매니폴드(224)가 제1 배출 매니폴드(221)와 제2 배출 매니폴드(222)에 비해 더 넓은 면적으로 관통 형성된 것일 수 있다. 본 발명의 발명자는 연료전지 스택(1) 내부에서의 열 전달 경로가 온도 구배에 큰 영향을 미친다는 것을 발견하였고, 연료전지 스택(1)의 높은 운전 온도에 의한 가열 효과가 유입 매니폴드에서 유입되는 산화제와 연료에 더 크게 영향을 미침을 확인하였다. 이에 연료전지 스택(1) 내부의 온도 편차를 줄이기 위해 제1 유입 매니폴드(223)와 제2 유입 매니폴드(224)의 면적을 좀 더 크게 형성하였다.
이하 상기 단위전지(10)와 상기 분리판(20)을 교대로 적층하여 구성한 연료전지 스택(1) 내에서의 산화제와 연료의 흐름을 도 19 내지 도 24를 통해 구체적으로 설명한다.
참고로 도 19 내지 도 24는 상기 분리판(20)을 통해 유입 및 배출되는 산화제와 연료의 흐름을 쉽게 설명하기 위하여 평면도로 도시하였으나, 후술할 산화제와 연료의 흐름은 입체적으로 해석되어야 할 것이다.
도 19는 연료전지 스택(1) 내에서의 산화제의 흐름을 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 중심부(21)의 어느 한 변과 평행한 가상의 선(F)을 따라 위치한 제1 유입 매니폴드(223)로 유입된 산화제(O2)는 상기 단위전지(10)의 공기극(11)을 거친 뒤, 한 쌍의 제1 배출 매니폴드(221, 221') 중 상기 가상의 선(F)을 따라 위치한 제1 배출 매니폴드(221)로 배출될 수 있다.
도 20은 연료전지 스택(1) 내에서의 연료의 흐름을 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 중심부(21)의 어느 한 변과 평행한 가상의 선(G)을 따라 위치한 제2 유입 매니폴드(224)로 유입된 연료(H2)는 상기 단위전지(10)의 연료극(13)을 거친 뒤, 한 쌍의 제2 배출 매니폴드(222, 222') 중 상기 가상의 선(G)을 따라 위치한 제2 배출 매니폴드(224)로 배출될 수 있다.
본 발명은 상기 제1 배출 매니폴드(221), 제2 배출 매니폴드(222), 제1 유입 매니폴드(223) 및 제2 유입 매니폴드(224)의 형상, 위치 및 크기를 전술한 바와 같이 특정하여 연료전지 스택(1) 내에서 산화제와 연료가 카운터-플로우(Counter-flow) 및 크로스-플로우(Cross-flow)를 동시에 형성할 수 있도록 한 것에 기술적 특징이 있다.
도 21 및 도 22는 카운터-플로우를 형성하는 산화제와 연료의 흐름을 도시한 것이고, 도 23 및 도 24는 크로스-플로우를 형성하는 산화제와 연료의 흐름을 도시한 것이다.
참고로 산화제(O2)는 공기극을 거쳐 배출되는 흐름이고, 연료(H2)는 연료극을 거쳐 배출되는 흐름이므로 도 21 내지 도 24의 산화제(O2)와 연료(H2)의 흐름을 같은 평면 상에서 이루어지는 것으로 해석해서는 안 될 것이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(1)에 있어서, 상기 산화제(O2)와 연료(H2)는 도 21 및 도 22와 같이 카운터-플로우(Counter-flow)를 형성한다. 따라서 연료전지 스택(1) 내부 온도 구배를 완화할 수 있고, 각 단위전지(10) 내의 열편차를 최소화할 수 있다. 결과적으로 각 단위전지 간의 온도, 반응물 농도, 전력 등에 편차가 발생하지 않는바, 층간 박리나 미세 균열이 생기지 않는 등 연료전지 스택(1)의 내구성이 크게 향상된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(1)에 있어서, 상기 산화제(O2)와 연료(H2)는 도 23 및 도 24와 같이 크로스-플로우(Cross-flow)를 형성한다. 특히, 주변부의 4변에 형성된 제1 유입 매니폴드 및 제2 유입 매니폴드를 통해 산화제(O2)와 연료(H2)가 유입되는 형태로 크로스-플로우를 형성하므로 연료전지 스택(1)의 부피를 획기적으로 축소시킬 수 있다. 따라서 연료전지 스택(1)의 단위 부피당 출력 밀도가 상당히 높아진다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 연료전지 스택
10: 단위전지 11: 공기극 12:전해질 13:연료극
20: 분리판 21: 중심부 22: 주변부
221: 제1 배출 매니폴드 222: 제2 배출 매니폴드
223: 제1 유입 매니폴드 224: 제2 유입 매니폴드

Claims (20)

  1. 사각 형상의 중심부; 및 상기 중심부를 둘러싸고 배치되는 주변부;를 포함하고,
    상기 주변부는 상기 중심부의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리 측에 위치하고, 관통 형성된 제1 배출 매니폴드;
    상기 중심부의 서로 대향되는 다른 한 쌍의 모서리 측에 위치하고, 관통 형성된 제2 배출 매니폴드;
    상기 제1 배출 매니폴드와 상기 제2 배출 매니폴드 사이에서 상기 중심부의 변을 따라 위치하되, 상기 제2 배출 매니폴드와 인접한 위치에 관통 형성된 제1 유입 매니폴드; 및
    상기 제1 배출 매니폴드와 상기 제2 배출 매니폴드 사이에서 상기 중심부의 변을 따라 위치하되, 상기 제1 배출 매니폴드와 인접한 위치에 관통 형성된 제2 유입 매니폴드를 포함하고,
    상기 제1 배출 매니폴드는 제2 배출 매니폴드에 비해 더 넓은 면적으로 관통 형성된 것이고, 상기 제1 유입 매니폴드는 제2 유입 매니폴드에 비해 더 넓은 면적으로 관통 형성된 것인 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배출 매니폴드는 타원 형상이며, 상기 중심부의 모서리로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형성한 가상의 선이 상기 중심부의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리를 모두 통과하는 형상으로 형성되는 연료전지용 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배출 매니폴드는 타원 형상이며, 상기 중심부의 모서리로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형성한 가상의 선과 상기 중심부의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리를 모두 통과하는 가상의 선이 이루는 각도가 0° 내지 90°가 되는 형상으로 형성되는 연료전지용 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배출 매니폴드는 이하의 수학식1 및 수학식2를 만족하는 위치에 형성되는 연료전지용 분리판.
    [수학식1]
    Figure 112018031649196-pat00033

    여기서, a1은 상기 제1 배출 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 모서리를 구성하는 어느 한 변의 길이이고, x1,out은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선과 상기 제1 배출 매니폴드의 중심점 간의 최단 길이이다.
    [수학식2]
    Figure 112018031649196-pat00034

    여기서, a1'는 상기 제1 배출 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 모서리를 구성하는 다른 한 변의 길이이고, y1 ,out은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선과 상기 제1 배출 매니폴드의 중심점 간의 최단 길이이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배출 매니폴드는 이하의 수학식3 및 수학식4를 만족하는 타원 형상인 연료전지용 분리판.
    [수학식3]
    Figure 112018031649196-pat00035

    여기서, 상기 r11 ,out은 상기 제1 배출 매니폴드의 긴 반지름이고, 상기 L은 상기 중심부의 서로 대향되는 모서리 간의 거리이다.
    [수학식4]
    Figure 112018031649196-pat00036

    여기서, r11 ,out은 상기 제1 배출 매니폴드의 긴 반지름이고, 상기 r12 ,out은 상기 제1 배출 매니폴드의 짧은 반지름이다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배출 매니폴드는 타원 형상이며, 상기 중심부의 모서리로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형성한 가상의 선이 상기 중심부의 서로 대향되는 다른 한 쌍의 모서리를 모두 통과하는 형상으로 형성되는 연료전지용 분리판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배출 매니폴드는 타원 형상이며, 상기 중심부의 모서리로부터 일정 거리 이격되어 형성되되, 타원의 긴지름을 연장 형상한 가상의 선과 상기 중심부의 서로 대향되는 어느 한 쌍의 모서리를 모두 통과하는 가상의 선이 이루는 각도가 0° 내지 90°가 되는 형상으로 형성되는 연료전지용 분리판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배출 매니폴드는 이하의 수학식5 및 수학식6을 만족하는 위치에 형성되는 연료전지용 분리판.
    [수학식5]
    Figure 112018031649196-pat00037

    여기서, a2는 상기 제2 배출 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 모서리를 구성하는 어느 한 변의 길이이고, x2,out은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선과 상기 제2 배출 매니폴드의 중심점 간의 최단 길이이다.
    [수학식6]
    Figure 112018031649196-pat00038

    여기서, a2'는 상기 제2 배출 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 모서리를 구성하는 다른 한 변의 길이이고, y2 ,out은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선과 상기 제2 배출 매니폴드의 중심점 간의 최단 길이이다.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배출 매니폴드는 이하의 수학식7 및 수학식8을 만족하는 타원 형상인 연료전지용 분리판.
    [수학식7]
    Figure 112018031649196-pat00039

    여기서, 상기 r21 ,out은 상기 제2 배출 매니폴드의 긴 반지름이고, 상기 L은 상기 중심부의 서로 대향되는 모서리 간의 거리이다.
    [수학식8]
    Figure 112018031649196-pat00040

    여기서, r21 ,out은 상기 제2 배출 매니폴드의 긴 반지름이고, 상기 r22 ,out은 상기 제2 배출 매니폴드의 짧은 반지름이다.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유입 매니폴드 및 상기 제2 유입 매니폴드는 서로 같거나 다른 반지름을 갖고 일정 거리 이격되어 있는 반원의 끝단이 직선으로 연결된 형상이되,
    상기 반원의 끝단을 연결하는 직선 중 하나 또는 그 이상이 상기 중심부의 변과 평행 또는 평행에 가까운 상태를 이루고 있는 형상으로 관통 형성된 것인 연료전지용 분리판.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 유입 매니폴드 및 상기 제2 유입 매니폴드는 양 끝단이 서로 다른 반지름을 갖는 반원의 형상이되,
    상기 반원 중 반지름이 긴 반원이 상기 중심부의 모서리 측을 향하여 위치하며,
    상기 반원의 끝단을 연결하는 직선 중 상기 중심부와 가까운 것이 상기 중심부의 변과 평행을 이루고 있는 형상으로 관통 형성된 것인 연료전지용 분리판.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 유입 매니폴드 및 제2 유입 매니폴드는 상기 반원의 끝단을 연결하는 직선 중 상기 중심부와 먼 것이 상기 중심부의 변과 0° 초과 및 45° 이하의 각도를 이루는 형상으로 관통 형성된 것인 연료전지용 분리판.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 유입 매니폴드는 이하의 수학식9 및 수학식10을 만족하는 크기로 형성된 것인 연료전지용 분리판.
    [수학식9]
    Figure 112018031649196-pat00041

    여기서, r1 ,in은 제1 유입 매니폴드의 양 끝단에 위치하는 반원의 반지름이고, a3는 제1 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 한 변의 길이이다.
    [수학식10]
    Figure 112018031649196-pat00042

    여기서, d1은 제1 유입 매니폴드의 양 끝단에 위치하는 반원의 중심 간의 직선 거리이고, a3는 제1 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 한 변의 길이이다.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 유입 매니폴드는 이하의 수학식11 및 수학식12를 만족하는 위치에 형성되는 연료전지용 분리판.
    [수학식11]
    Figure 112018031649196-pat00043

    여기서, a3는 상기 제1 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 어느 한 변의 길이이고, x1,in은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선과 제1 유입 매니폴드의 무게 중심 간의 최단 길이이다.
    [수학식12]
    Figure 112018031649196-pat00044

    여기서, a3'는 상기 제1 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 어느 한 변과 연결된 다른 한 변의 길이이고, y1 ,in은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선과 제1 유입 매니폴드의 무게 중심 간의 최단 길이이다.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제2 유입 매니폴드는 이하의 수학식13 및 수학식14을 만족하는 크기로 형성된 것인 연료전지용 분리판.
    [수학식13]
    Figure 112018031649196-pat00045

    여기서, r2 ,in은 제2 유입 매니폴드의 양 끝단에 위치하는 반원의 반지름이고, a4는 제2 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 한 변의 길이이다.
    [수학식14]
    Figure 112018031649196-pat00046

    여기서, d2는 제2 유입 매니폴드의 양 끝단에 위치하는 반원의 중심 간의 직선 거리이고, a4는 제2 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 한 변의 길이이다.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제2 유입 매니폴드는 이하의 수학식15 및 수학식16을 만족하는 위치에 형성되는 연료전지용 분리판.
    [수학식15]
    Figure 112018031649196-pat00047

    여기서, a4는 상기 제2 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 어느 한 변의 길이이고, x2,in은 상기 어느 한 변의 중간점에 대한 수직선과 제2 유입 매니폴드의 무게 중심 간의 최단 길이이다.
    [수학식16]
    Figure 112018031649196-pat00048

    여기서, a4'는 상기 제2 유입 매니폴드와 인접한 상기 중심부의 어느 한 변과 연결된 다른 한 변의 길이이고, y2 ,in은 상기 다른 한 변의 중간점에 대한 수직선과 제2 유입 매니폴드의 무게 중심 간의 최단 길이이다.
  17. 삭제
  18. 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위전지와;
    상기 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 분리판이 교대로 적층된 연료전지 스택.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 중심부의 어느 한 변과 평행한 가상의 선을 따라 위치한 제1 유입 매니폴드로 유입된 산화제는 상기 공기극을 거친 뒤, 상기 가상의 선을 따라 위치한 제1 배출 매니폴드로 배출되고,
    상기 중심부의 어느 한 변과 평행한 가상의 선을 따라 위치한 제2 유입 매니폴드로 유입된 연료는 상기 연료극을 거친 뒤, 상기 가상의 선을 따라 위치한 제2 배출 매니폴드로 배출되는 연료전지 스택.
  20. 제18항에 있어서,
    산화제와 연료가 크로스-플로우(Cross-flow) 및 카운터-플로우(Counter-flow) 방식으로 흐르는 연료전지 스택.
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