KR20040037411A - 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지를 단위형(Unit Type)으로 구성할 수 있도록 함과 더불어, 냉각수의 유로를 없애고 연료와 산화제의 유로만이 포함되도록 함에 의해, 분리판의 설계 및 제작을 간단하게 하고냉각효율을 향상시키기 위한 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈을 제공한다.

이를 위해 본 발명은 냉각수로가 생략되어 있는 연료와 산화제의 유로만이 포함되고서, 양극 및 음극의 분리판과 가스 확산층 및 막전극 접합체가 하나의 단위로 구성되어 있는 다수의 단위전지와, 각 단위전지 사이에 설치되고서, 스택의 단면에 분포하는 열을 외부로 전달하는 열전달체, 냉각수와 열교환기를 갖추고서, 상기 열전달체를 통해 스택으로부터 전달된 열을 냉각수와의 열교환을 통해 냉각시키는 열교환실 및, 스택의 전류로부터 열교환실을 절연시키기 위한 절연체로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 스택용 외부 냉각 모듈{External cooling module for fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 냉각방식을 변경하여 분리판의 제작이 용이하도록 한 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 차세대의 에너지 변환장치로서 주목받고 있는 연료전지는연료(수소)의 화학 에너지가 전기 에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산할 수 있도록 이루어졌는 바, 여러 가지 연료전지 중에서 PEM(Polymer Electrolyte Membrane) 연료전지는 운전온도가 60∼80℃인 저온형 연료전지이다.

이러한 연료전지에서 각 단위전지를 적층한 연료전지 스택(Fuel Cell Stack)은 실제 사용할 수 있는 수준의 전력을 생산하기 위한 가장 중요한 구성부품이다.

PEM 연료전지 스택은 수소 기체가 애노드(Anode)에서 프로톤(H⁺) 상태로 전이한 후에, 전도성 전해질 막(Membrane)을 통과하여 캐소드(Cathode)에서 공기중의 산소가 전이한 산소 이온(O^2-)과 결합하여 물(H₂O) 분자를 생성하는 연료전지 반응이 일어나게 되는 바, 이러한 연료전지 반응은 발열반응으로서 (H₂+ 1/2 O₂⇒ H₂O + 열)의 반응식과 같이 반응열이 발산된다.

따라서, 연료전지 스택은 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)를 공급할 수 있는 기체 유로뿐만 아니라, 그 발생열을 냉각시켜서 적정한 운전 온도인 60∼80℃를 유지할 수 있는 냉각수로를 갖추게 된다.

즉, 이러한 연료전지 스택은 적층요소인 분리판(Separator)에 연료, 산화제, 냉각수의 3가지 유체에 대한 유로를 확보하여야 하고, 그 내부에 냉각장치가 포함된 내부 냉각수로(Internal Coolant Path) 형태인 것이다. 분리판의 소재는 금속계와 탄소계의 그래파이트(Graphite)가 있으나, 금속계는 연료전지의 운전 중에 부식으로 인하여 부동태 피막을 형성할 수 있어서 전압 손실을 야기하고, 기계적 강도나 냉각수 오염 등의 문제를 야기하게 됨에 따라, 탄소계 그래파이트만을 분리판소재로 주로 이용하고 있다.

한편, 최근에는 연료전지 반응에 의한 반응열의 냉각과 스택의 최적 운전온도를 보장하기 위해 내부 냉각수로 형식의 스택 디자인이 꾸준히 개발되고 있는 바, 연료전지 스택은 분리판의 소재가 탄소계 그래파이트로 이루어져 있어서, 이를 기계적 가공 또는 몰드를 이용하여 성형하는 방법으로 제작하고 있다. 분리판의 양 표면에는 연료 가스 및 산화제가 흐르는 유체 유로가 각각 가공되어 있고, 냉각수로는 분리판의 내부에 형성되어 있다. 그러한 냉각수로의 형상을 구현하기 위해서는 2장의 대칭적인 구조를 갖는 그래파이트판을 각각 가공하여 접합하는 방식으로 1장의 분리판을 제작하도록 한다.

또한, 냉각수로의 설계에는 전체 냉각수량에 따른 압력 손실과 냉각수로와 인접한 부분의 압력차를 고려하여야 하는 바, 일반적으로 열교환 유효 표면적을 넓혀 열교환 효율을 향상시키기 위해 세관이 선호되는 반면에, 세관으로 설계할수록 유로의 단면적이 감소되어 압력손실이 크게 된다. 즉, 같은 유량을 흘려주기 위해 더 큰 펌프 압력으로 냉각수를 밀어주어야 하므로, 냉각 수로에 걸리는 압력이 크게되는 것이다. 그래파이트 소재의 분리판을 이용하는 스택에서는 스택의 운전압력 즉, 가스유로 압력과 냉각수로 압력의 차가 일정 수준 이상이 될경우에는 분리판의 기계적 강도 이상의 하중을 받게 되어 분리판의 균열이 발생되거나 전파되어 스택에 이상이 발생될 수 있다.

그에 따라, 냉각수로의 설계에는 냉각수의 열교환 효율뿐만 아니라, 운전 기체 압력과 냉각수 압력간의 조화를 이루도록 냉각수로 단면적 및 형상 성계가 이루어지는 바, 적용된 그래파이트의 기계적 강도에 따라 운전압력에 따른 냉각수의 허용 압력 손실이 결정하게 되는 것이다.

그러나, 이러한 종래의 연료전지 스택은 냉각수로의 구현을 위해 2장의 대칭적인 구졸르 갖는 그래파이트판을 각각 가공하여 1장으로 접합하여 가공하도록 되어 있지만, 그러한 분리판의 제작이 복잡하다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 연료전지 스택에서는 운전 기체의 압력과 냉각수로의 압력을 고려하여 냉각수로 단면적 및 형상의 설계가 이루어지도록 되어 있지만, 그러한 냉각수로의 설계가 복잡하게 되고, 연료전지의 내부를 흐르는 냉각수의 전기 전도도를 일정 수준 이하로 유지하지 않으면 단위 전지 간의 단락이 불가피하게 발생하게 되므로, 냉각수의 전기 전도도를 부도체 수준으로 유지하기 위해 이온제거장치를 갖추어야 하고, 냉각수의 수질이 낮아질 경우에 냉각수 전체를 교환해야 하므로, 냉각수의 유지 및 관리가 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 연료전지를 단위형(Unit Type)으로 구성할 수 있도록 함과 더불어, 냉각수의 유로를 없애고 연료와 산화제의 유로만이 포함되도록 함에 의해, 분리판의 설계 및 제작을 간단하게 하고 냉각효율을 향상시키기 위한 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈의 배치상태를 나타낸 종단면도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈의 배치상태를 나타낸 종단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:단위전지, 20:열전달체,

30:열교환실, 40:열교환기,

50:절연체.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따르면, 냉각수로가 생략되어 있는연료와 산화제의 유로만이 포함되고서, 양극 및 음극의 분리판과 가스 확산층 및 막전극 접합체가 하나의 단위로 구성되어 있는 다수의 단위전지와, 각 단위전지 사이에 설치되고서, 스택의 단면에 분포하는 열을 외부로 전달하는 열전달체, 냉각수와 열교환기를 갖추고서, 상기 열전달체를 통해 스택으로부터 전달된 열을 냉각수와의 열교환을 통해 냉각시키는 열교환실 및, 스택의 전류로부터 열교환실을 절연시키기 위한 절연체로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈을 제공한다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

즉, 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈의 배치상태를 나타낸 종단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈의 배치상태를 나타낸 종단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 연료전지는 단위전지(10)와, 열전달체(20), 열교환실(30), 열교환기(40) 및, 절연체(50)로 구성된다.

동 도면에서, 상기 단위전지(10)는 (양극)분리판과, 가스 확산층, 막전극 접합체, 가스 확산층, 분리판(음극)이 하나의 단위로 구성되어 각각 직렬 연결된 것으로서, 이는 냉각수의 유로가 없이 연료(H₂)와 산화제(공기)의 유로만이 포함되어 있다.

상기 열전달체(20)는 직렬 연결된 각각의 단위전지(10) 사이에 설치되고서,스택의 단면에 분포하는 열을 외부의 열교환실(30)로 전달할 수 있도록 열 전달계수가 좋은 금속계나 탄소계 소재로 이루어진다.

이러한 열전달체(20)는 부식이나 산화 등으로 인한 부동태 피막 형성에 의해 열전달의 손실이 되는 것을 방지하기 위해 표면처리를 하거나, 내부식성이 강한 모재를 적용한다.

또한, 상기 열전달체(20)는 파이프 형상으로 이루어진 금속계로서 동(Cu)이나 합금계를 사용하고, 균일한 열분포를 위해서 망(Net) 형상 또는 또아리(Serpentine) 형상, 방사 형상으로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 열교환실(30)은 냉각수가 흐르는 열교환기(40)를 갖추고서, 상기 열전달체(20)를 통하여 스택으로부터 전달되는 열이 그 내부에서 외부의 방열기(도시되지 않음)와 연결된 냉각수와 열교환을 수행하여 냉각이 수행될 수 있도록 이루어진다.

상기 열교환실(30)은 스택의 전류로부터 절연이 되도록 절연체(50)가 설치되어 있고, 연료전지의 최고 출력에 따른 최고 발열시에는 수압이 높아진 냉각수를 과량으로 흘리는 것이 가능하도록 경량의 금속계나 고강도 복합재료 또는 고강도 폴리머의 재질로 제작하는 것이 바람직하다.

상기한 실시예를 갖는 본 발명은 그 실시양태에 구애받지 않고 그 기술적 요지를 벗어나지 않는 한도 내에서 얼마든지 다양하게 변형하여 실시할 수 있도록 되어 있음은 물론이다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 연료전지의 분리판에서 냉각수로의 설계가 제외되기 때문에, 설계가 간단해지게 되고, 1장의 그래파이트 소재를 가공하여 1장의 분리판을 제작할 수 있도록 됨에 따라 분리판의 제작 공정이 감소하게 되어 제작비용 및 인건비가 절감된다는 효과가 있다.

또한, 연료전지 스택의 출력이 커짐에 다라 냉각수량의 증가가 요구되고, 유량의 증가에 따른 냉각수로의 설계에 따라 압력손실 및 그래파이트를 사용한 분리판의 강도가 낮고 취성이 됨에 의해 수압조절이 필요하다는 문제점을 해결하게 되면서, 수압에 무관하여 냉각수 과급에 따른 부담을 감소시켜서 설계가 간단해진다는 효과가 있다.

또, 연료전지의 냉각이 훨씬 용이하게 되고, 냉각수의 오염에 따른 단락 부담이 줄어들게 되면서 냉각수의 교환시에 모듈만을 따로 떼어내어 교환하면 되므로 그 유지 및 보수가 간편해 진다는 효과가 있고, 냉각모듈의 설계가 출력 수준이 다른 어떠한 용도의 연료전지 스택에도 적용할 수 있다는 각별한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 냉각수로가 생략되어 있는 연료와 산화제의 유로만이 포함되고서, 양극 및 음극의 분리판과 가스 확산층 및 막전극 접합체가 하나의 단위로 구성되어 있는 다수의 단위전지와,

   각 단위전지 사이에 설치되고서, 스택의 단면에 분포하는 열을 외부로 전달하는 열전달체,

   냉각수와 열교환기를 갖추고서, 상기 열전달체를 통해 스택으로부터 전달된 열을 냉각수와의 열교환을 통해 냉각시키는 열교환실 및,

   스택의 전류로부터 열교환실을 절연시키기 위한 절연체로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 열전달체는 열전달 계수가 좋은 금속계 또는 탄소계 소재 중에서 어느 하나의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 열전달체는 균일한 열분포를 위해 망형상이나 또아리 형상 또는 방사형상 중에서 어느 하나의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈.