KR20090015272A - 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조 - Google Patents

연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 운전조건 및 스택 재료를 변경하지 않고 냉각 유로의 구조를 변경하여 플러딩을 저감할 수 있도록 한 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 수소유로가 형성된 수소측 분리판; 공기유로가 형성된 공기측 분리판; 및 상기 수소측 분리판과 공기측 분리판 사이에 형성되어 반응열을 제거하는 냉각유로;를 포함하여 구성되고, 상기 냉각유로는 냉각수 입구매니폴드 옆면에 반응기체의 출구단이 인접하여 반응기체의 출구쪽 유로와 냉각수 입구쪽 유로가 겹치는 부분에 형성되지 않고, 상기 반응기체의 출구부를 기점으로 분리판의 전면적으로 확대되어, 상기 반응기체의 출구부가 냉각수에 의해 과냉각되지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조를 제공한다.
연료전지, 플러딩, 냉각유로, 매니폴드

Description

연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조{Cooling path structure for reducing flooding of fuel cell}
본 발명은 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 운전조건 및 스택 재료를 변경하지 않고 냉각 유로의 구조를 변경하여 플러딩을 저감할 수 있도록 한 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
상기 연료전지스택은 연료전지 차량의 주동력공급원으로서, 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치이다. 또한, 자동차에 적용되는 연료전지스택은 약 400개 이상의 단위전지로 구성되어 있고, 각 단위전지는 약 0V ~1.23V의 전압을 형성한다.
현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지스택은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이다.
도 1은 연료전지스택의 구성을 나타내는 개략도로서, 연료전지스택은 수소이온이 이동하는 전해질막(10)을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층(11)이 부착된 3L MEA(Membrane Electrode Assembly)(12)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)(13), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓(14) 및 서브가스켓(15)과, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판(16)으로 구성되어 있다.
상기 고체 고분자 전해질형 연료전지에서는 수소가 양극(Anode, “연료극”이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, “공기극” 혹은 “산소극”이라고도 함)으로 공급된다.
양극으로 공급된 수소는 전해질막(10)의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의 해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막(10)을 통과하여 음극으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층(13)과 분리판(Separator)(16)을 통하여 음극으로 전달된다.
상기 음극에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소이온과 분리판(16)을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 음극으로 공급된 공기중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 발생하는 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
이러한 고체 고분자 전해질형 연료전지의 전극반응을 나타내면 아래의 반응식과 같다.
[연료극에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e-
[공기극에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지
여기서, 상기 화학반응에 의해 생성된 물이 응축되어 외부로 적절히 배출되지 않으면 반응가스의 확산을 저해하여 연료전지의 성능을 저하시키게 된다. 이를 플러딩(Flooding)이라 하며, 스택의 플러딩을 저감하는 것이 연료전지의 성능을 향 상시키는 중요한 기술이다.
일반적으로 플러딩을 저감시키기 위해서 반응기체의 통로가 되는 분리판 유로 디자인 개선, 반응기체의 확산 및 생성된 물 배출을 돕는 GDL 구조의 개선 그리고 스택의 운전 온도를 상승시켜 응축된 물 생성을 방지하는 등의 방법들이 사용되고 있다.
그러나, 유로 디자인 및 GDL 구조 개선을 통해 플러딩을 저감시키기 위해서는 유로 패턴 및 GDL 구조가 단순해져야 하며, 이는 반대로 반응기체의 확산 정도를 저하시켜 성능을 감소시키는 단점이 있다.
또한 전극막의 재료가 되는 나피온(Nafione) 막의 손상을 막기 위해서는 운전온도를 90℃이상으로 높일 수 없기 때문에 스택 운전온도를 올리는 것도 한계가 있다.
한편, 연료전지의 분리판을 구성하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이에 형성되는 냉각유로의 형태는 반응기체의 입출구 구조 및 냉각수의 입출구 방향에 의해 결정된다.
일반적으로 연료전지 성능을 향상시키기 위해 반응기체 입출구는 반대흐름형(counter flow)과 교차흐름형(Cross flow)으로 나뉘어 진다.
도 1은 종래의 반대흐름형 연료전지용 분리판의 일례를 나타내고, 도 2는 교차흐름형 분리판의 일례를 나타내는 도면으로서, 공기입구매니폴드와 수소출구매니폴드가 왼쪽에 위치하고 있고, 수소입구매니폴드 및 공기출구매니폴드가 오른쪽에 위치하여 공기는 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 흘러가고, 수소는 오른쪽 위에서 왼쪽 아래로 흘러가는 구조로 형성되어 있다.
도 1에 도시한 냉각유로의 형태는 한 방향에서 나와 분리판 전면적을 냉각한 후 반대면으로 나아가며, 이때 냉각유로 입구의 옆면에는 각기 다른 반응기체의 입출구와 접하게 된다.
예를 들면 냉각유로 입구의 옆면은 도 1에 도시한 바와 같이 공기 입구(Cathode Inlet)및 수소 출구(Anode Outlet)와 접하게 된다.
따라서 반응에 의해 뜨거워진 반응기체(공기 or 수소)는 출구 쪽으로 흘러가면서 냉각수 입구 쪽에서 들어오는 차가운 냉각수에 의해 과응축 되어 플러딩을 가중시키게 된다.
즉, 연료전지 내 화학반응으로 생성된 열을 효율적으로 제거해야 하는 냉각유로의 특성상, 냉각유로에는 냉각수가 실제 스택 운전 온도보다 낮은 온도로 주입되어야 하지만, 이는 반응열에 의해 충분히 뜨거워진(스택 운전온도보다 높은) 반응기체의 출구부를 과냉각시켜 플러딩을 유발하게 된다.
도 3은 종래의 반대흐름형 연료전지용 분리판의 다른 예를 나타내고, 도 4는 종래의 교차흐름형 연료전지용 분리판의 다른 예를 나타내는 도면으로서, 냉각유로가 공기 및 수소의 진행방향에 대하여 횡방향으로 이루어진 구조로 형성되어 있고, 공기 및 수소 유로는 도 1 및 도 2와 유사하다.
도 5는 위에서 언급한 반응기체 출구단에서 과냉각에 의한 플러딩 현상을 확인하기 위해 도 1의 반대흐름형 분리판을 이용하여 운전 중 스택의 단면 온도를 부분별로 측정한 결과이다.
화학반응에 의해 충분히 가열된 수소가스의 포화수증기압이 높아져 그만큼 많은 양의 기체상태의 물을 포함하지만, 출구 쪽으로 나아가면서 포화수증기압이 낮아지게 기체상태의 상당부분의 물이 응축되게 된다.
또한 이러한 현상은 도 2 내지 도 4에 도시한 여러 형태의 분리판에서도 나타난다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 냉각수 입구단에 의해 과냉각되는 반응기체의 출구부분에 냉각유로가 지나지 않게 함으로써, 반응기체의 출구의 온도를 스택 온도 이상으로 유지하여 반응기체의 과냉각을 방지하여 플러딩을 저감하고 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC) 분리판에 있어서,
수소유로가 형성된 수소측 분리판; 공기유로가 형성된 공기측 분리판; 및 상기 수소측 분리판과 공기측 분리판 사이에 형성되어 반응열을 제거하는 냉각유로;를 포함하여 구성되고, 상기 냉각유로는 냉각수 입구매니폴드 옆면에 반응기체의 출구단이 인접하여 반응기체의 출구쪽 유로와 냉각수 입구쪽 유로가 겹치는 부분에 형성되지 않고, 상기 반응기체의 출구부를 기점으로 분리판의 전면적으로 확대되어, 상기 반응기체의 출구부가 냉각수에 의해 과냉각되지 않는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 냉각유로는 반대흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 또는 수소유로와 동일한 방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것 을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 냉각유로는 반대흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 또는 수소유로의 진행방향에 대하여 횡방향으로 진행되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각유로는 교차흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 및 수소유로와 반대방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각유로는 교차흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 및 수소유로의 진행방향에 대하여 횡방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각유로가 일정한 각도로 경사지게 형성되어, 연료전지 해체시 분리판 냉부에 존재하는 냉각수를 제거하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조에 의하면, 냉각수 입구단 옆면에 존재하는 반응기체의 출구부분에 냉각유로가 지나가지 않게 설계함으로써, 반응기체의 출구단의 온도를 스택온도 이상으로 유지하여 플러딩을 저감하고 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 플러딩 저감을 통해 안정적인 출력을 유지할 수 있고, 냉각유로의 단순화를 통해 냉각수의 압력차이를 저감할 수 있으며, 냉각유로가 단축되어 가공비를 절감할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 구성도이다.
본 발명은 냉각수 입구단에 의해 과냉각 되는 부분에 냉각유로가 지나가지 않게 함으로써, 반응기체 출구단의 온도를 스택 운전온도 이상으로 유지하여 반응기체의 과냉각을 방지할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판은 냉각수 입구매니폴드(10)를 사이에두고 공기입구매니폴드(12)가 상측에, 수소출구매니폴드(15)가 하측에 형성되어 있고, 냉각수 출구매니폴드(11)를 사이에 두고 수소입구매니폴드(14)가 상측에, 공기출구매니폴드(13)가 하측에 형성되는 구조로 이루어진다.
상기와 같은 구조에서 수소는 수소탱크로부터 수소입구매니폴드(14)를 통해 수소유로에 전달되어 애노드 측에 공급되고, 공기는 대기로부터 공기입구매니폴드(12)를 통해 공기유로에 전달되어 캐소드 측에 공급되게 된다.
여기서, 냉각 유로(16)는 상기 수소 또는 공기유로의 냉각을 위해 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 이면에 각각 형성되고, 냉각수 입구매니폴드(10)에서 분리판의 전면적을 냉각한 후 냉각수 출구매니폴드(11)로 이동하는 구조로 형성되어 있다.
특히, 상기 냉각 유로(16)가 냉각수 입구매니폴드(10)의 옆면에 위치한 수소 출구 측으로 냉각수가 지나가지 않도록 냉각유로를 변경한다. 즉, 기존에 상기 수소출구 측으로 지나던 냉각유로(도 6의 "A"부)를 삭제한다.
이와 같이 반응기체 출구부(공기 or 수소)에 냉각수가 흐르지 않게 됨에 따라 기존에 과냉각 되는 부분의 온도가 상승한다. 따라서 기존 방식에 비해 응축되는 양의 물이 줄어들어 플러딩이 저감되게 된다. 이는 원활한 반응기체의 확산을 도와 연료전지의 성능을 증가시키고 안정적인 출력을 유지할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 구성도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판에는 공기입구매니폴드(12)가 좌측 상부에, 수소출구매니폴드(15)가 좌측 하부에 형성되어 있고, 수소입구매니폴드(14)가 우측 상부에, 공기출구매니폴드(13)가 우측 하부에 형성되어 있다.
또한, 냉각수 입구매니폴드(20)는 중간 하부에, 냉각수 출구매니폴드(21)가 중간 상부에 형성되어, 냉각수는 공기 및 수소의 진행방향에 대하여 횡방향으로 진행된다.
이와 같은 구조에서, 상기 수소는 우측 상단에서 좌측 하단으로 흐르고, 상기 공기는 좌측 상단에서 우측 하단으로 흐르게 되며, 이때 냉각수 입구매니폴드(20)의 옆면 양쪽으로 수소 및 공기가 이동하게 된다.
여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각유로(36)는 수소 또는 공기유로의 냉각을 위해 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 이면에 각각 형성되고, 냉각수 입구매니폴드(20)에서 분리판의 전면적을 냉각한 후 냉각수 출구매니폴드(21)로 이 동하는 구조로 형성되되, 특히, 상기 냉각 유로(36)가 냉각수 입구매니폴드의 옆면에 위치한 수소 및 공기출구 측으로 냉각수가 지나가지 않도록 냉각유로를 변경한다. 즉, 기존에 수소출구 및 공기출구 측으로 지나던 냉각유로(도 7의 "B" 및 "C"부)를 삭제한다.
또한, 본 발명은 냉각수의 위치에 상관없이 냉각수 입구의 옆면에 반응기체의(공기 or 수소) 출구단이 인접하여 반응기체 출구측 유로와 냉각수 입구측 유로가 겹치는 부분이 존재한다면 적용 가능하다.
본 발명은 반응기체의 유동 패턴이 반대흐름형 및 교차흐름형인 연료전지용 분리판에 적용될 수 있다.
도 8는 본 발명의 일실시예의 효과를 검증하기 위해 실제 운전 중의 스택 단면 온도를 측정한 결과이다. 종래의 수소출구단의 온도(도 5)에 비해 온도가 68.8℃에서 73.2℃로 상승하였으며, 이는 상승된 온도만큼의 포화수증기량이 기체상태로 분리판을 빠져나가 기존 방식에 비해 플러딩이 저감됨을 확인 할 수 있다.
상기 플러딩 저감을 위해 제거되는 냉각유로 부분은 반응기체 출구부(공기 or 수소)를 기점으로 분리판 전면적으로 확대될 수 있다.
도 6의 형태를 띄는 분리판의 경우, 냉각수 라인의 경사면을 완만히 함으로써, 스택 해체 시 분리판 내부에 존재하는 냉각수를 효율적으로 제거할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야 에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 종래의 반대흐름형 연료전지용 분리판의 일례를 나타내는 구성도이고,
도 2는 종래의 교차흐름형 연료전지용 분리판의 일례를 나타내는 구성도이고,
도 3은 종래의 반대흐름형 연료전지용 분리판의 다른 예를 나타내는 구성도이고,
도 4는 종래의 교차흐름형 연료전지용 분리판의 다른 예를 나타내는 구성도이고,
도 5는 도 1의 반대흐름형 분리판을 이용하여 운전 중 스택의 단면 온도를 부분별로 측정한 결과를 나타내는 도면이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 구성도이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 구성도이고,
도 8은 도 6의 반대흐름형 분리판을 이용하여 운전 중 스택의 단면 온도를 부분별로 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10,20 : 냉각수입구매니폴드 11,21 : 냉각수출구매니폴드
12 : 공기입구매니폴드 13 : 공기출구매니폴드
14 : 수소입구매니폴드 15 : 수소출구매니폴드
16,26,36 : 냉각유로

Claims (6)

  1. 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC) 분리판에 있어서,
    수소유로가 형성된 수소측 분리판;
    공기유로가 형성된 공기측 분리판; 및
    상기 수소측 분리판과 공기측 분리판 사이에 형성되어 반응열을 제거하는 냉각유로;
    를 포함하여 구성되고, 상기 냉각유로는 냉각수 입구매니폴드 옆면에 반응기체의 출구단이 인접하여 반응기체의 출구쪽 유로와 냉각수 입구쪽 유로가 겹치는 부분에 형성되지 않고, 상기 반응기체의 출구부를 기점으로 분리판의 전면적으로 확대되어, 상기 반응기체의 출구부가 냉각수에 의해 과냉각되지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각유로는 반대흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 또는 수소유로와 동일한 방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각유로는 반대흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 또는 수소유로의 진행방향에 대하여 횡방향으로 진행되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각유로는 교차흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 및 수소유로와 반대방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각유로는 교차흐름형 분리판에 적용가능하고, 냉각수가 공기유로 및 수소유로의 진행방향에 대하여 횡방향으로 진행되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각유로가 일정한 각도로 경사지게 형성되어, 연료전지 해체시 분리판 냉부에 존재하는 냉각수를 제거하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조.
KR1020070079473A 2007-08-08 2007-08-08 연료전지의 플러딩 저감을 위한 냉각유로구조 KR101304884B1 (ko)

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