KR20040086711A - 연료 전지 스택 체결방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지 스택의 체결방법에 관한 것으로, 상세하게는, 유로판의 외곽 쪽에 연료 전지 스택을 체결하기 위한 체결구멍이 다수 개 존재하여 그 구멍에 절연된 체결봉을 삽입하여, 연료 전지 스택의 양쪽 헤더에서 조이는 형태를 취하며, 특히 유로판의 중앙부에도 전해질-전극 접합체를 관통하는 체결구멍이 하나 이상 존재하여, 외곽쪽으로 편중된 힘을 중앙부의 체결로 전면에 고르게 분산시켜 유로판 및 헤더의 휨을 방지하고, 아울러 전해질-전극 접합체와 유로판과의 접촉저항을 줄이는 것을 특징으로 하는 새로운 연료 전지 스택 체결 방식이다.

Description

연료 전지 스택 체결방법 {TIGHTENING METHOD OF FUEL CELL STACKS}

본 발명은 연료 전지 스택 체결방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수십에서 수백장의 연료 전지 스택을 제작할 경우, 연료 전지 유로판의 외곽쪽에 다수개의 체결구멍을 형성하고, 유로판의 중앙부에 전해질-전극 접합체를 관통하는 중심부 체결구멍을 적어도 하나 이상 형성하여, 각 체결구멍을 통해, 연료 전지 스택을 체결봉으로 체결함으로써, 연료 전지 스택 체결시 전면에 고르게 체결압이 작용하도록 하며, 전해질-전극 접합체와 유로판과의 접촉성을 향상시키는 연료 전지 스택 체결방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지는 전기화학 반응에 의해서 연료 및 산화제가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치로서 반응 후 생성되는 물질이 공해물질이 아니며, 기존의 내연기관에 비하여 에너지 효율이 높으며 초소형 규모에서 대규모 발전 시스템까지 적용범위가 매우 넓다.

즉, 연료 전지는 화학에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하는 과정 없이 직접 전기에너지로 변환하기 때문에 열기관이 갖는 열역학적인 제한(Carnot 효율)을 받지 않고, 기존의 발전장치보다 발전효율이 높으며, 무공해로 환경문제가 거의 없으며, 크기 및 단위전지를 적층하는 정도에 따라 다양한 용량으로 제작이 가능하고, 이동용 전원 및 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 전력계통의 운영 측면에서도 많은 비용을 절감할 수 있는 기대가 큰 첨단 에너지 발전장치이다.

이러한 연료 전지의 기본 개념은 수소와 산소의 전기화학반응에 의하여 생성되는 전자의 이용으로 설명할 수 있는데, 수소는 연료극으로 주입되고, 산소는 공기극에 주입된다.

상기에서 주입된 수소는 연료극의 촉매와 전기 화학적으로 반응하여 전자와 수소이온으로 분리되며, 수소이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하여 공기극의 산소와 반응하여 물을 생성하고 수소로부터 떨어져 나온 전자는 도선을 통해 이동하게 된다. 상기 전자가 도선을 통해 이동하면서 직류전류가 발생하며, 부수적으로 전지내의 반응으로 인한 열도 생산된다.

상기 직류 전류는 직접 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 직류-교류 전환기에 의해 교류 전류로 바꾸어 사용되며, 연료 전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있다.

연료 전지의 연료인 수소는 저장용기로부터 순수한 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용하며, 순수한 산소는 연료 전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 수소와의 직접 접촉과 같은 위험성을 지니고 있어, 공기 중에 포함된 산소를 이용하여 효율은 좀 떨어지지만 비교적 비용이 저렴하고, 안전한 공기를 직접 이용하기도 한다.

이러한 연료 전지의 본체는 수십 장에서부터 수백 장까지 적층된 셀들로 구성되어 있으며 연료 또는 공기와 같은 산화제의 반응가스가 각 셀로 공급되도록 설계되며, 각 셀은 전해질에 의하여 분리된 연료극과 공기극의 두 전극으로 구성되고, 각 셀은 기체 유로 역할을 하는 유로판을 양극에 부착한 형태로 구성되어있다.

이러한 연료 전지 스택의 제작 시, 수십 혹은 수백 장의 셀들을 체결하기 위해서는 우선 연료 전지용 유로판의 가장자리면에 체결봉이 지나는 다수개의 체결구멍을 형성하며, 체결하기 위해 절연된 체결봉이 필요하다.

상기 연료 전지 스택을 체결하기 위한 체결봉은 휨이 없고, 고온에서 견디며, 가공성이 우수해야 한다. 또한 체결봉은 연료 전지 스택과 전기적으로 절연상태여야 하므로, 전기 전도도가 극히 낮은 재질을 사용하거나, 전도체의 경우는 절연피복을 사용하여 절연시키기도 한다.

이러한 종래 연료 전지 스택을 체결하는 방식은 스택 양쪽에 유로판보다 큰 헤더를 제작하여, 한쪽의 헤더를 통과한 체결봉이 유로판의 가장자리, 즉 외곽을 지나서 다른 한쪽의 헤더의 구멍을 통과하여, 양쪽에서 조이는 형태를 취하고 있기 때문에, 유로판보다 더 큰 헤더를 제작해야 하며, 체결봉이 유로판의 바깥쪽에 노출되기 때문에, 상당한 부피가 요구된다.

또한, 유로판의 가장자리에서 스택을 조이는 형태이기 때문에, 체결력이 외곽쪽에만 편중되어 전해질-전극 접합체가 위치한 중심부분은 상대적으로 체결력이 떨어진다는 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 기존의 유로판의 외곽을 통하여서만 체결봉으로 스택을 체결하는 방식과 달리, 유로판의 내부에 기체유로를 비켜 가는 적어도 하나 이상의 중심부 체결구멍을 형성하여 체결봉이 유로판 내부를 관통하도록 함으로써, 스택의 헤더 및 체결봉이 차지하고 있던 부피를 절감하며, 유로판 내측에서의 체결력을 보조하여 체결력의 편중을 막고, 아울러 전해질-전극 접합체와 유로판 사이의 접촉저항을 줄여 접촉성을 개선할 수 있도록 하는 연료 전지 스택 체결방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 스택 체결방법을 통하여 체결될 연료 전지용 유로판의 평면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 스택 체결방법을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 체결방법을 적용하여 3셀의 연료 전지 스택을 제작하여 연료전지의 성능이 개선된 예를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 연료 전지용 유로판 12 : 기체유로

13 : 매니폴드 14 : 외곽부 체결구멍

15 : 중심부 체결구멍 16 : 전해질-전극 접합체

17 : 체결봉

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료 전지 스택체결방법은 연료 전지 스택 제작 시, 유로판의 중심부 및 외곽면에 각각 기체유로가 새겨지지 않은 단면을 형성하고, 상기 단면에는 각각 체결봉이 끼워지도록 중심부 체결구멍과 다수개의 외곽부 체결구멍을 형성하여 스택 양쪽의 헤더에 의해 조여서 체결하는 것을 특징으로 하며,

상기 유로판에는 그 외곽부 체결구멍 사이에 기체용 또는 액체용 매니폴드를 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 통하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 스택 체결방법을 통하여 체결될 연료 전지용 유로판의 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 스택 체결방법을 도시한 도면으로써, 도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료 전지 스택 체결방법에 적용되는 연료 전지용 유로판(11)은, 반응기체가 흐르면서 전기화학 반응을 일으키는 기체유로(12)가 지그재그 형태로 중심에 대하여 대칭구조로 형성되어 있으며, 그 중앙에는 체결봉이 관통하도록 중심부 체결구멍(15)을 형성할 수 있도록 상기 기체유로(12)가 형성되지 않는 단면(18)으로 형성된다.

또한, 상기 유로판(11) 상의 가장자리 부분, 즉 그 외곽면에도 상기 체결봉이 관통하도록 다수개의 외곽부 체결구멍(14)이 형성된다.

이러한 연료 전지용 유로판(11)을 이용하여 본 발명의 연료 전지 스택 체결방법을, 상기 도 2를 통하여 설명하면, 상기 유로판(11) 사이에 전해질-전극 접합체(16)를 개재한 상태로 각 중심부 체결구멍(15)과 다수개의 외곽부 체결구멍(14)을 통하여 체결봉(17)이 끼워져 스택 양쪽의 헤더(미도시)에 의해 조여서 스택 체결을 이루는 것이다.

또한, 상기 유로판(11)에는 그 외곽부 체결구멍(14) 사이사이에 기체용 또는 액체용 매니폴드(13)를 형성할 수 있다.

이와 같이, 한 개의 단위전지가 수십 혹은 수백 장의 유로판(11)이 적층된 형태인 연료 전지 스택의 경우에, 각각의 단위전지로 연료 및 산화제를 공급하기 위한 통로인 매니폴드(13)는 상기 유로판(11) 상에서 기체가 들어가는 부분과 기체가 나가는 부분에 형성되는 것이다.

이러한 본 발명에 의한 연료 전지 스택 체결방법을 통하여 구성되는 연료 전지의 단위전지 성능을 확인하기 위하여 구체적인 실시예를 아래에 기재하나, 본 발명은 이 실시예에 한정되지는 않는다.

실시예

본 발명에 따른 유로판을 제작한 후 새로운 체결방식을 적용하여 연료 전지 성능을 시험하였다. 유로판의 재질은 그라파이트를 사용하였고, 유로판에 형성하는 유로의 전체 크기는 160.0 x 120.0 mm로 하고 기체유로는 폭 2.0 mm, 깊이 0.5 mm로 하여 1조당 5개의 독립된 유로로 하여 중심선을 기준하여 좌우대칭으로 2조를 설치하였다.

총 13개의 절연된 쇠봉을 사용하여 유로판 내에서 외곽쪽으로 12개, 중심부에 하나를 관통시켜, 스택 양쪽의 헤더에서 조여주었다.

전기화학반응의 핵심요소인 전해질-전극 접합체(MEA)는 전해질로 Nafion, 전극은 Pt/C를 사용하였으며 전극과 전해질은 고온압착법을 이용하여 MEA를 제조하고, 유로판 사이에 가스킷과 함께 삽입한 후, 연료 전지를 구성하였다.

연료 전지의 운전 조건은 75℃에서 기체 이용율은 연료극 0.5, 공기극 0.25였고, 이 때의 결과를 도 3에 나타내었다.

즉, 상기 도 3에서와 같이, 연료전지 성능곡선으로부터 연료전지 체결 방법의 개선에 따른 성능 향상 여부를 판단하게 되는데, 연료전지의 성능을 측정할 때에는 전류가 전혀 흐르지 않는 상태에서 점점 전류를 흘려주면서, 그때의 전압값을 측정하게 된다. 이렇게 전류 값을 횡축으로, 각 지점의 전류값에 따른 전압값을 좌측의 종축으로 하여 그림을 그리게 되면, 도 3과 같은 형태가 되는데, 이것을 연료전지의 분극곡선이라 하며, 이 분극곡선을 통해 연료전지의 성능을 가늠하는 기준을 삼게 된다. 그리고 각 지점의 전류값과 전압값의 곱으로부터 우측의 종축에 해당하는 연료전지의 출력값을 산출한다. 또한 산화제의 종류에 따라 연료전지의 성능을 비교하기도 한다. 도 3에서 보는 바와 같이 3셀로 제작한 연료전지 스택의 산화극에 산소를 사용한 경우와 공기를 사용한 경우의 분극곡선 및 출력값들로부터 연료전지 성능을 비교하였으며, 이로부터 본 발명에 따른 연료 전지 스택 체결방법을 적용한 연료전지 스택의 성능이 기존의 방법으로 제작했던 스택보다 개선된 예를 보여주고 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 체결방식은 , 기존의 유로판 외곽에서만 스택을 체결했던 것과는 달리, 유로판의 중앙에 기체유로가 새겨져 있지 않은 단면을 형성하여 이에 체결구멍을 내고, 별도로 전해질-전극 접합체에도 중앙을 관통하는 체결구멍을 형성하여 스택 체결시 체결력의 외곽부 편중을 막고, 유로판과 전해질-전극 접합체의 접촉을 강화하여, 연료 전지 운전시 발생하는 전자의 이동을 수월하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 연료 전지 스택 체결방법에 있어서,

   연료 전지 스택 제작 시, 유로판의 중심부 및 외곽면에 각각 기체유로가 새겨지지 않은 단면을 형성하고, 상기 단면에는 각각 체결봉이 끼워지도록 중심부 체결구멍과 다수개의 외곽부 체결구멍을 형성하여 상기 체결봉이 끼워진 상태로 스택 양쪽의 헤더에 의해 조여서 체결하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 체결방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 유로판에는

   그 외곽부 체결구멍 사이에 기체용 또는 액체용 매니폴드를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 체결방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 유로판 사이에는

   전해질-전극 접합체가 개재되는데, 상기 전해질-전극 접합체의 중심에는 상기 유로판의 중심부 체결구멍에 대응하는 체결구멍을 포함하여 체결봉이 관통되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 체결방법.