KR20050108431A - 연료 전지용 스택 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스택에서 발생하는 열을 신속하게 방출시켜 스택의 온도를 적정하게 유지관리할 수 있도록 된 연료 전지 및 연료전지 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
이에 본 발명은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 상기 전극-전해질 합성체의 측면에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기 생성부; 상기 바이폴라 플레이트보다 높은 열전도도를 가지고 이 바이폴라 플레이트에 밀착되는 열전도매체를 포함하는 연료 전지용 스택을 제공한다.

Description

연료 전지용 스택 및 연료 전지 시스템{STACK FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각효율을 개선한 연료 전지용 스택 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템으로, 연소 과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.
이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용함에 따라 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.)와, 연료 탱크, 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프를 포함하며, 필요에 따라 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)를 포함할 수 있다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택은 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산해 내게 된다.
여기서 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식의 연료 전지인 경우에는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 사이에 두고 양측면에 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)가 적층된 구조로 되어 있다. 그리고 상기 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.
또한 상기 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스 또는 산소가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 반응이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
이러한 연료 전지 시스템은 적정한 운전 온도를 초과하는 경우 전해질막의 역할 수행 능력이 떨어지고 안정성을 보장할 수 없으며 심한 경우 연료전지를 손상시키게 된다. 따라서 연료 전지 시스템은 공랭식 또는 수냉식의 냉각장치가 구비되어 운전과정에서 발생되는 열을 지속적으로 제거하게 된다.
그런데 US5,541,015에서 개시된 바와 같은 종래의 연료 전지 시스템의 경우 공랭식이나 수냉식 냉각방식 모두 바이폴라 플레이트를 열교환 매개체로 사용하게 되며, 이 경우 바이폴라 플레이트 자체의 열전도도가 떨어지므로 냉각효과가 좋지 않은 문제점이 있다.
특히, 스택에서 발생되는 열은 스택의 위치에 따라 온도 편차가 생기게 되는 데, 열전도도가 낮은 바이폴라 플레이트를 열교환 매개체로 사용함에 따라 스택의 한 영역에서 국부적으로 높은 열이 발생한 경우 이를 신속히 낮추기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스택에서 발생하는 열을 신속하게 방출시켜 스택의 온도를 적정하게 유지관리할 수 있도록 된 연료 전지용 스택 및 연료전지 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 스택에 국부적으로 발생된 고열을 빠르게 흡수하여 전도시킴으로써 스택 전체에 걸쳐 온도 분포를 고르게 유지할 수 있도록 된 연료 전지용 스택 및 연료 전지 시스템을 제공함에 또다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 열교환 매개체로 작용하는 바이폴라 플레이트의 열전도도를 높이도록 함을 그 요지로 한다.
이를 위해 본 발명의 연료 전지 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 상기 전극-전해질 합성체의 측면에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 전기 생성부가 적어도 하나 이상 적층되고, 상기 바이폴라 플레이트는 내부에 열전도도가 바이폴라 플레이트보다 높은 열전도매체가 부착된 구조로 되어 있다.
이에 따라 연료전지의 임의 지역에서 발생된 고열은 열전도도가 높은 열전도매체를 통해 흡수되어 빠르게 다른 영역으로 전달됨으로써 신속한 방열과 더불어 전 영역에서의 온도 분포를 고르게 유지할 수 있게 되는 것이다.
여기서 상기 열전도매체는 알루미늄이나 구리, 철 등의 금속재질 군에서 선택되는 금속판임이 바람직하다.
또한, 상기 열전도매체는 상기 바이폴라 플레이트의 일측 면에 부착되거나 내부에 하나의 층으로 삽입 설치될 수 있으며, 하나 이상의 열전도매체가 일정 간격을 두고 다수개의 층으로 개재될 수 있다.
또한, 상기 열전도매체는 중앙에 냉각장치와 연결되어 냉각 매체가 지나가는 유통로가 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.
상기 유통로는 채널 형식의 홈으로 이루어질 수 있으며, 구멍 형태의 관통홀로 이루어질 수 있다.
상기 냉각 매체로는 냉각용 공기 또는 냉각수가 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 전극-전해질 합성체(Electrode Assembly: MEA)와 전극-전해질 합성체의 측면에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 전기 생성부가 적어도 하나 이상 적층되고, 상기 바이폴라 플레이트는 내부에 열전도도가 바이폴라 플레이트보다 높은 열전도매체가 개재된 구조의 스택과; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 스택으로 냉각매체를 순환시켜 스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치를 포함한다.
상기 연료 전지 시스템은 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기를 더욱 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열전도매체는 중앙에 상기 냉각장치와 연결되어 냉각용 공기나 냉각수 등의 유체가 유통되는 유통로가 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.
상기 유통로는 채널 형식의 홈으로 이루어질 수 있으며, 구멍 형태의 관통홀로 이루어질 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어질 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어질 수도 있다.
그리고 상기 연료 전지 시스템은 냉각장치가 공랭식으로 이루어져 냉각 매체로 냉각용 공기가 사용될 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 시스템은 냉각장치가 수냉식으로 이루어져 냉각 매체로 냉각수가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 도 1에서 스택 부위를 나타내 보인 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 스택 부위를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도 3의 단면도이다.
도면을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 그 수소 가스와 산소 또는 산소를 포함하는 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
본 시스템에서 전기를 생성하기 위한 연료로서 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화 수소 계열의 연료 및 산소가 포함되며, 이 중에서 산소는 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 포함하는 외부 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 이하 설명에서는 편의상 산소 연료로서 외부 공기를 그대로 사용하는 예를 설명한다.
즉, 본 시스템은 수소를 함유한 액상의 연료와 물을 공급하는 연료 공급장치(30)와, 연료 공급장치(30)로부터 공급받은 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기(50)와, 개질기(50)에 의해 생성된 수소 가스와 공기의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산해 내는 스택(10), 상기 스택으로 냉각매체를 순환시켜 스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치(70)를 포함한다.
대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 액상의 연료를 직접 스택(10)으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 방식의 연료 전지는 위와 같은 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 도 1에 도시한 개질기(30)가 배제된 구조를 가진다.
이하에서는 전술한 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용하고 냉각장치는 공랭식을 이용하는 연료 전지 시스템을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바 있는 개질기(50)는 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지에 채용되는 개질기의 구성으로 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 연료 공급장치(30)는 수소를 함유하는 연료가 저장되는 연료 탱크(미도시)와, 연료 탱크 내에 저장된 연료를 소정의 펌핑력을 이용하여 개질기(50)로 공급할 수 있는 연료 펌프(미도시)의 구성을 가진 통상적인 연료 공급장치를 구비한다.
그리고 도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 스택(10)은 개질기(50)를 통해 개질된 수소 가스와 외부 공기를 공급받아 이들의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(11)를 구비한다.
상기한 각각의 전기 생성부(11)는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미한다.
상기 전기 생성부(11)는 수소 가스와 공기를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA )(12)와, 수소 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(12)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)를 포함한다. 이러한 전기 생성부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(16)가 각각 배치된다. 이로서 스택(10)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(11)가 연속적으로 배치됨으로써 구성된다. 이때 스택(10)의 최외측에 각각 위치하는 바이폴라 플레이트(16)는 엔드 플레이트(13)라고 정의한다.
여기서 본 실시예에 따르면 상기 바이폴라 플레이트(16)는 내부에 열전도도가 바이폴라 플레이트보다 상대적으로 높은 금속판(20)이 개재된 구조로 되어 있다.
이에 따라 연료전지의 임의 지역에서 발생된 열은 바이폴라 플레이트(16)보다 열전도도가 높은 금속판(20)을 통해 흡수되어 빠르게 다른 영역으로 전달됨으로써 상대적으로 바이폴라 플레이트만으로 이루어진 경우보다 신속한 방열이 이루어질 수 있으며, 이와 더불어 바이폴라 플레이트(16) 전 영역에서의 온도 분포를 고르게 유지할 수 있게 되는 것이다.
상기 금속판(20)은 박판형태로 이루어져 바이폴라 플레이트(16)의 외측면 즉, 전극-전해질 합성체와 접하는 면의 반대쪽 면 전체에 걸쳐 설치되며, 그 두께에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.
또한, 상기 바이폴라 플레이트(16)가 통상 흑연 재질로 이루어지는 것을 고려할 때 상기 금속판(20)은 흑연보다 상대적으로 열전도도가 높은 알루미늄이나 구리, 철 등의 재질에서 선택됨이 바람직하다.
도 6은 금속재질과 그라파이트의 열전도도를 비교한 도표로서, 바이폴라 플레이트로 통상 사용되는 그라파이트의 경우 열전도도에 있어서 상온에서 구리의 3분의 1, 알루미늄이 2분의 1 정도인 것을 확인할 수 있다.
한편, 또다른 실시예에 따르면 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 금속판(20)에 상기 냉각장치로부터 제공되는 스택 냉각용 공기가 지나가는 홈(18)이 일정간격을 두고 형성된다.
따라서 바이폴라 플레이트로 전도될 열은 금속판(20)을 매개로 빠르게 홈(18)을 지나는 공기로 전도되어 스택(10)의 온도를 신속히 낮출 수 있게 되는 것이다.
여기서 바이폴라 플레이트의 홈에 대해 좀더 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이 실질적으로 상기 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)와 접하는 면에 유로 채널(17;이에 대해서는 뒤에 자세히 설명하도록 한다)이 형성되고 그 반대쪽 면에는 언급한 바와 같이 금속판(20)이 설치되고 금속판(20)에는 상기 냉각용 공기가 지나는 다수의 홈(18)이 일정간격을 두고 형성되는 데, 스택 내에 다수개의 전기생성부(11)가 상호 적층됨에 따라 전기생성부간의 바이폴라 플레이트(16)가 서로 대향되게 밀착되면서 바이폴라 플레이트에 설치된 금속판이 상호 접하게 되고 이에 따라 금속판에 형성된 상기 냉각용 공기가 지나는 홈(18)이 서로 합쳐지면서 실제 공기가 이동되는 통로인 관통홀(21)을 이루게 된다.
따라서 금속판(20) 내에 관통홀(21)이 형성된 구조가 이루어지게 되는 것이다.
또한, 본 스택의 또다른 실시예에 따르면 도 5에 도시된 바와 같이 상기 금속판 내부에 스택 냉각용 공기가 지나가는 관통홀(21)이 직접 형성될 수 있다.
이 경우 금속판(20)은 바이폴라 플레이트(16)와 바이플라 플레이트(16) 사이에 개재되며 자체적으로 구멍 형태의 관통홀(21)이 형성되어 있어서 바로 냉각매체가 상기 관통홀을 통해 지나가게 된다.
한편, 상기 전극-전해질 합성체(12)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 가진다. 애노드 전극은 바이폴라 플레이트(16)를 통해 수소 가스를 공급받는 부분으로, 산화 반응에 의해 수소 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDS)으로 구성된다. 캐소드 전극은 바이폴라 플레이트(16)을 통해 공기를 공급받는 부분으로, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
전술한 바 있는 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다. 이를 위해 언급한 바와 같이 바이폴라 플레이트(16)의 표면에는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 가스를 공급하는 유로 채널(17)이 형성된다.
보다 구체적으로, 상기한 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 밀착되는 밀착면에 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하고, 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 유로 채널(17)을 형성하고 있다.
각각의 엔드 플레이트(13)는 스택(10)의 최외측에 각각 배치되어 위와 같은 바이폴라 플레이트(16)의 기능을 수행하는 플레이트로서, 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 어느 하나의 전극에 밀착된다. 그리고 전극-전해질 합성체(12)에 밀착되는 엔드 플레이트(13)의 밀착면에는 상기 어느 하나의 전극으로 수소 가스 및 공기 중 어느 하나를 공급하기 위한 유로 채널(17)이 형성된다.
또한 각각의 엔드 플레이트(13)에는 어느 하나의 유로 채널(17)에 개질기(30)로부터 생성된 수소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(13a)과, 다른 하나의 유로 채널(17)에 공기를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(13b)과, 복수의 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 배출관(13c)과, 상기한 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관(13d)을 구비한다. 여기서 상기 제1 공급관(13a)은 개질기(30)의 유출구(32)와 소정의 유로로 연결된다.
상기와 같은 구성을 가진 스택(10)은 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 물을 생성하게 된다.
<반응식 1>
양극반응: H2 → 2H+ + 2e-
음극반응: O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체반응: H2 + O2 → H2O + 전류 + 열
반응식 1을 참고하면, 바이폴라 플레이트(16)을 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 상기한 수소 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 촉매층에서 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해된다. 프로톤이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에서 전자와 산소이온 그리고 이동된 프로톤이 합쳐져서 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 이러한 과정을 거치면서 전기와 물을 생성하게 되며, 스택(10)에서는 수소 가스와 산소의 화학적인 반응에 의해 부수적으로 열이 발생하게 된다.
이와같이 스택(10)의 구동에 의해 전기를 발생하는 도중 단위 전기생성부(11)에서는 열이 발생하게 되며, 전기생성부(11)에서 발생하는 열을 냉각하기 위해, 냉각장치(70)가 가동되어 냉각용 공기를 바이폴라 플레이트(16)로 공급하게 된다.
바이폴라 플레이트(16)로 공급된 냉각용 공기는 바이폴라 플레이트에 설치된 금속판(20)간의 홈과 홈이 합쳐져서 만들어진 관통홀(21)을 통과하게 된다. 따라서, 전기생성부(11)에서 발생하는 열은 관통홀(21)을 통과하는 비교적 차가운 외부 공기에 의해 냉각된다.
즉, 전기생성부(11)의 전극-전해질 합성체(12)에서 발생된 열은 전극-전해질 합성체의 측면에 접하고 있는 바이폴라 플레이트(16)로 전도된다.
그리고 바이폴라 플레이트로 전도된 열은 바이폴라 플레이트에 설치되어 있는 열전도도가 높은 금속재질의 금속판에 의해 보다 빠르게 흡수되고, 금속판으로 흡수된 열은 금속판에 의해 형성되는 관통홀을 지나는 냉각용 공기로 전도되어 종래 바이폴라 플레이트만을 스택의 냉각 매개체로 사용하는 경우와 비교하여 신속한 냉각을 이룰 수 있게 된다.
한편, 스택의 일부분에 국부적으로 고열이 발생된 경우에도 바이폴라 플레이트의 전면에 걸쳐 설치되어 있는 금속판이 상기 고열을 신속히 흡수하여 다른쪽으로 전도시킴으로써 바이폴라 플레이트를 포함하는 스택 전체에 걸쳐 고른 열분포를 유지시키게 되는 것이다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 바이폴라 플레이트 내에 열전도도가 우수한 금속판을 설치함으로써 종래 바이폴라 플레이트만을 사용한 경우와 비교하여 열전도도를 향상시킬 수 있고 이에 따라 스택에서 발생되는 발생하는 열을 신속히 냉각시킬 수 있게 된다.
또한, 스택에서 국부적으로 발생되는 고열을 신속히 다른 곳으로 분산시켜 방열시킴에 따라 스택 전체에 걸쳐 고른 온도 분포를 유지시킬 수 있게 된다.
또한, 금속재질의 금속판을 사용함으로써 그라파이트 재질보다 가격이 저렴하고 가공이 용이하여 바이폴라 플레이트의 제조단가를 낮출 수 있게 된다.
또한, 종래와 비교하여 우수한 열전도도에 따라 동일한 양의 열을 처리하기 위해 필요한 열교환 면적을 상대적으로 줄일 수 있고, 결과적으로 바이폴라 플레이트의 부피를 줄일 수 있는 효과를 얻게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 도 1에서 스택을 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도 3의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 금속재질과 그라파이트의 열전도도를 비교한 도표이다.

Claims (17)

  1. 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 상기 전극-전해질 합성체의 측면에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기 생성부;
    상기 바이폴라 플레이트보다 높은 열전도도를 가지고 이 바이폴라 플레이트에 밀착되는 열전도매체
    를 포함하는 연료 전지용 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기생성부가 복수로 구비되고, 상기 열전도매체가 상기 전기 생성부들 사이에 개재되는 연료 전지용 스택.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열전도매체가 금속판으로 형성된 연료 전지용 스택.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속판에 냉각 매체가 지나는 유통로가 적어도 하나 이상 형성된 연료 전지용 스택.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유통로가 상기 금속판에 형성되는 홈인 연료 전지용 스택.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 유통로가 상기 금속판에 형성된 관통홀인 연료 전지용 스택.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속판이 알루미늄이나 구리, 철을 포함하는 금속재질 군에서 선택되는 연료 전지용 스택.
  8. 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 상기 전극-전해질 합성체의 측면에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기 생성부와, 상기 바이폴라 플레이트보다 높은 열전도도를 가지고 이 바이폴라 플레이트에 밀착되는 열전도매체을 포함하는 연료 전지용 스택과;
    상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 스택으로 냉각매체를 순환시켜 스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열전도매체가 금속판으로 형성된 연료 전지용 스택.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속판에 냉각 매체가 지나는 유통로가 적어도 하나 이상 형성된 연료 전지용 스택.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유통로가 상기 금속판에 형성되는 홈인 연료 전지용 스택.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 유통로가 상기 금속판에 형성된 관통홀인 연료 전지용 스택.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 냉각장치는 냉각매체로 냉각용 공기가 사용되는 공냉방식인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  14. 제 8항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각장치는 냉각매체로 냉각수가 사용되는 수냉방식인 연료 전지 시스템.
  15. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택과 연료 공급부 사이에, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 생성시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 스택에 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식인 연료 전지 시스템.
  17. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식인 연료 전지 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180080721A (ko) * 2013-08-28 2018-07-13 로베르트 보쉬 게엠베하 바이폴라 고체 상태 배터리 절연 패키지

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