KR20050122769A - 연료전지의 스택 방열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 스택 방열 장치에 관한 것으로, 본 발명은 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 복수 개의 바이폴라 플레이트를 상기 각 전극의 일 측면에 접하도록 배치하는 다수 개의 단위셀을 연속으로 적층하여서 된 연료전지의 스택에 있어서, 각 단위셀에 접하도록 설치하여 반응시 발생하는 열을 열전도에 의해 방출하는 열방출수단을 포함함으로써, 일정 범위의 온도까지는 히트파이프를 이용하여 스택의 온도를 조절하는 반면 일정 범위 이상일 경우에는 히트파이프와 함께 방열팬을 이용하여 스택의 온도를 조절하여 상기한 스택의 온도를 항상 적정 범위 내에서 유지하고 이를 통해 연료전지의 성능을 크게 높일 수 있다.

Description

연료전지의 스택 방열 장치{STACK COOLING APPARATUS FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지의 방열 장치에 관한 것으로, 특히 스택에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 연료전지의 스택 방열 장치에 관한 것이다.

지금까지 인류가 사용하고 있는 에너지의 대부분은 화석 연료에서 얻고 있으나 화석 연료는 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며 에너지 효율도 낮아 점차 대체 에너지 혹은 재생 가능한 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.

연료전지는 이러한 화석 연료의 대안으로 제시하는 것으로 통상의 전지(2차 전지)와는 달리 음극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소)를, 양극(cathode)에 산소를 외부로부터 공급하여 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기와 열을 발생하는 전지계이다.

연료전지를 전해질의 유형에 따라 분류하면, 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 60 ~ 110℃에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 상온 ~ 80 ℃에서 작동하는 고분자 전해질 연료전지, 약 500 ~ 700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 등으로 구분할 수 있다.

연료전지는 통상 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극과 공기극을 구비하는 스택과, 수소를 상기한 연료극에 공급하는 연료공급부와, 산소를 상기한 공기극에 공급하는 공기공급부와, 스택에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부를 포함하고 있다.

스택(10)은 도 1에서와 같이, 다수 개의 단위셀(single cell)(11)을 적층한 것으로, 각 단위셀(11)은 전해질막(12)과, 이 전해질막(12)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(13)과 공기극(14), 그리고 이 연료극(13)과 공기극(14)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(13)과 공기극(14)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(bipolar plate)(15,16)과, 양측 분리판(15,16)의 외측에 각각 적층하여 집전전극을 형성하는 집전판(current collector)(미도시)으로 구성하고 있다.

전해질막(11)은 H⁺를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용하고 있다.

연료극(13)과 공기극(14)은 지지체와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층으로 구성하되 지지체는 다공성 카본페이퍼(carbon paper) 또는 카본크로스(carbon cloth)로 형성하고, 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 백금을 사용하는 것이 바람직하다. 촉매층은 촉매의 유효표면적을 늘리기 위하여 미세한 백금입자를 미세한 탄소입자 표면에 코팅한 형태로 형성하고 있다.

분리판(15,16)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트(graphite)와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(13)과 공기극(14)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(fuel channel)(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(air channel)(Co)를 형성하고 있다. 또, 단위셀(11)들 사이에 설치하는 분리판(15,16)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 스택(10)의 양측 단부에 설치하는 분리판(15,16)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성하고 있다.

집전판(미도시)은 스택(10)에서 최종적으로 전기에너지를 취출하기 위한 것으로 통상적인 터미널로서 사용하는 구리재질 등의 전기전도체로 형성하고 있다.

도면중 미설명 부호인 17 및 18은 지지판이다.

상기와 같은 종래 연료전지의 스택에서 전기에너지가 발생하는 과정은 다음과 같다.

즉, 분리판(15,16)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)에 공급한 연료와 공기는 각각 연료극(13)과 공기극(14)에 접촉하고, 이에 따라 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 발생한다.

이에 따라 연료극(13)과 공기극(14)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수개의 단위셀(11)을 적층한 스택(10)의 양단에 설치한 집전판(미도시)을 통하여 출력하며, 집전판에서 출력하는 전류는 부하로 공급하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지의 스택에 있어서는, 전술한 바와 같이 연료와 공기가 전기화학적 반응을 하면서 열을 발생함에도 불구하고 이 열을 도 2에서와 같이 송풍팬을 이용하여 공랭식으로 방열하거나 또는 냉각수를 이용하여 수냉식으로 방열하고 있으나 이는 스택에서 발생하는 열을 적절하게 방열하지 못하여 스택의 효율을 높이는데 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지의 스택이 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 스택이 항상 적정온도를 유지할 수 있도록 그 스택에서 발생하는 열을 효과적으로 방열할 수 있는 연료전지의 스택 방열 장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 복수 개의 바이폴라 플레이트를 상기 각 전극의 일 측면에 접하도록 배치하는 다수 개의 단위셀을 연속으로 적층하여서 된 연료전지의 스택에 있어서, 각 단위셀에 접하도록 설치하여 반응시 발생하는 열을 열전도에 의해 방출하는 열방출수단을 포함한 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 방열 장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 스택 방열 장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 연료전지의 스택 방열 장치를 보인 정면도이고, 도 4는 본 발명 연료전지의 스택 방열 장치에 대한 효과를 종래와 비교하여 보인 실험 그래프이다.

도 1과 도 3을 참조하면 본 발명에 의한 연료전지의 스택(10)은, 다수 개의 단위셀(11)을 적층한 것으로, 각 단위셀(11)은 습윤 상태에서 전기전도성을 띠도록 고분자 이온교환막으로 된 전해질막(12)과, 이 전해질막(12)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(13)과 공기극(14), 그리고 이 연료극(13)과 공기극(14)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(13)과 공기극(14)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(15,16)과, 양측 분리판(15,16)의 외측에 각각 적층하여 집전전극을 형성하도록 구리판으로 된 집전판(미도시)과, 각 단위셀(11)에 모두 접하도록 설치하여 반응시 발생하는 열을 흡수하는 전열부재(110)와, 전열부재(110)의 타단에 설치하여 열을 방출하는 방열부재(120)를 포함한다.

연료극(13)과 공기극(14)은 전술한 바와 같이 지지체와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층으로 구성하되 지지체는 다공성 카본페이퍼 또는 카본크로스로 형성하고, 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 백금을 사용하는 것이 바람직하다. 촉매층은 촉매의 유효표면적을 늘리기 위하여 미세한 백금입자를 미세한 탄소입자 표면에 코팅한 형태로 형성한다.

분리판(15,16)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(13)과 공기극(14)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(Co)를 형성한다. 또, 단위셀(11)들 사이에 설치하는 분리판(15,16)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 스택(10)의 양측 단부에 설치하는 분리판(15,16)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성한다.

전열부재(110)는 열조절이 가능한 히트파이프(heat pipe)를 이용하고, 방열부재(120)는 공기를 강제로 불어 열을 방출할 수 있도록 방열팬을 이용하는 것이 바람직하다.

또, 전열부재(110)와 단위셀(11)의 접촉부에는 그 단위셀(11)에서의 전기에너지 누설을 방지하면서도 열을 신속하게 방출할 수 있도록 비전도성이고 열전도성인 열전도부재(130)를 개재하는 것이 바람직하다.

또, 전열부재(110)와 방열부재(120)는 열이 상승하는 것을 고려하여 가급적 지면을 기준으로 각 단위셀(11)의 상부면에 접촉하도록 설치하는 것이 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 17 및 18은 지지판이다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 스택 방열 장치는 다음과 같은 작용 효과가 있다.

즉, 연료는 연료탱크(미도시)에서 각 단위셀(11)마다의 분리판(15,16)에 구비한 연료유로(Cf)로 고르게 분배되어 각 연료유로(Cf)를 통과하면서 전기화학적 산화반응을 수행하는 반면, 공기는 대기중에서 각 단위셀(11)마다의 분리판(15,16)에 구비한 공기통로(Co)로 분배되어 각 공기통로(Co)를 일시에 통과하면서 전기적인 환원반응을 수행한다.

이 과정에서 연료극(13)과 공기극(14)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수 개의 단위셀(11)을 적층한 스택(10)의 양단에 설치한 집전판(미도시)을 통하여 전기를 출력한 후 부하로 공급한다.

여기서, 연료와 공기가 스택(10)의 내부에서 전기화학적 반응을 하면서 열을 발생하게 되는데, 이 열이 적정온도 이상으로 상승하는 경우에는 온도 조절 능력을 가진 히트파이프(110)에 의해 지속적으로 방출되어 일정 범위 내에서는 상기한 스택(10)이 적정온도를 유지할 수 있도록 한다.

또, 스택(10)의 온도가 일정 범위 이상으로 상승하는 경우에는 방열팬(120)이 작동하여 상기 히트파이프(110)의 방열측에 찬 공기를 불어주면서 스택(10)의 방열속도를 더욱 촉진함으로써 상기한 스택(10)이 항상 적정 온도를 유지할 수 있도록 하는 것이다.

이렇게 하여, 스택의 반응시 발생하는 열을 히트파이프와 방열팬을 이용하여 방출함으로써, 스택의 온도를 항상 적정한 범위 내에서 유지할 수 있도록 하고 이를 통해 스택의 성능을 높여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 스택 방열 장치는, 스택의 상부면에 히트파이프를 설치하고, 그 히트파이프의 방출측에 방열팬을 설치함으로써, 일정 범위의 온도까지는 히트파이프를 이용하여 스택의 온도를 조절하는 반면 일정 범위 이상일 경우에는 히트파이프와 함께 방열팬을 이용하여 스택의 온도를 조절하여 상기한 스택의 온도를 항상 적정 범위 내에서 유지하고 이를 통해 연료전지의 성능을 크게 높일 수 있다.

도 1은 종래 연료전지의 스택을 개략적으로 보인 블록도,

도 2는 종래 연료전지의 스택 방열 장치를 보인 정면도,

도 3은 본 발명 연료전지의 스택 방열 장치를 보인 정면도,

도 4는 본 발명 연료전지의 스택 방열 장치에 대한 효과를 종래와 비교하여 보인 실험 그래프.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 스택 11 : 단위셀

110 : 히트파이프 120 : 방열팬

130 : 열전도부재

Claims (6)

1. 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 복수 개의 바이폴라 플레이트를 상기 각 전극의 일 측면에 접하도록 배치하는 다수 개의 단위셀을 연속으로 적층하여서 된 연료전지의 스택에 있어서,

   각 단위셀에 접하도록 설치하여 반응시 발생하는 열을 열전도에 의해 방출하는 열방출수단을 포함한 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 방열 장치.
2. 제1항에 있어서,

   열방출수단은 상기한 각 단위셀에 접하여 반응시 발생하는 열을 흡수하는 전열부재와, 전열부재의 타단에 설치하여 열을 방출하는 방열부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 방열 장치.
3. 제2항에 있어서,

   전열부재는 열조절이 가능한 히트파이프인 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 방열 장치.
4. 제3항에 있어서,

   전열부재와 단위셀의 접촉부에는 비전도성의 열전도성 물질을 개재하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 방열 장치.
5. 제2항에 있어서,

   방열부재는 공기를 강제로 불어 열을 방출하는 방열팬인 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 방열 장치.
6. 제1항에 있어서,

   열방출수단은 각 단위셀의 상부면에 접촉하도록 설치하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 방열 장치.