KR20090037671A

KR20090037671A - 연료전지

Info

Publication number: KR20090037671A
Application number: KR1020070103127A
Authority: KR
Inventors: 이길용; 육형규
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-04-16

Abstract

본 발명에 의한 연료전지는, 스택부와 가습부를 일체로 결합함으로써 상기 가습부에서 가습된 공기가 곧바로 상기 스택부로 유입됨에 따라 그 스택부를 통과하는 공기가 응축될 가능성이 낮아지게 되고 그로 인해 상기 스택부의 공기유로에서 공기의 범람이나 압력손실이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다. 또, 상기 가습부와 스택부를 연결하기 위한 별도의 배관이 필요 없게 되어 그만큼 연료전지를 소형화할 수 있다.

연료전지, 스택, 가습, 단위셀, 모듈셀

Description

연료전지{FUEL CELL}

본 발명은 가습장치가 스택에 결합된 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 시스템(FUEL CELL SYSTEM)은 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 연료전지 시스템은 작동온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융탄산염형(MCFC), 고체전해질형(SOFC), 고분자전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다. 이 중에서 고분자전해질형 연료전지 시스템의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)로써 다른 연료전지 시스템과 구별된다. 이러한 고분자전해질형 연료전지는 통상 LNG, LPG 등의탄화수소계(CH계열) 연료를 개질유닛에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하고, 이 정제된 수소를 스택유닛의 연료극으로 공급하여 연료로 사용하고 있다.

상기 고분자전해질형 연료전지 시스템은 앞서 언급한 바와 같이 고분자 중합체인 얇은 이온전도성 고분자막을 전해질로 사용함에 따라 장시간 운전시 충분한 수분을 공급하여야 신뢰성을 유지할 수 있다. 이를 위해, 상기 스택유닛의 공기극에 연결되는 공기공급라인의 중간에 가습기가 설치되어 상기 공기극으로 공급되는 공기를 가습하는 소위 외부가습방식이 알려져 있다.

그러나, 상기와 같은 외부 가습방식의 연료전지 시스템은, 상기 가습기와 스택유닛이 공기공급라인으로 연결됨에 따라 공기가 상기 가습기에서 스택유닛으로 이동하는 과정에서 압력손실이 발생될 수 있을 뿐만 아니라 상기 수분이 응축되어 스택유닛으로 유입되면서 그 스택유닛에서 범람(flooding)이 발생될 우려가 있었다. 그리고 상기 가습기와 스택유닛이 공기공급라인으로 연결됨에 따라 배관을 위한 설치공간이 필요하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지 시스템이 가지는 문제점을 해결한 것으로, 상기 가습기와 스택유닛 사이에서 압력손실이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있고 상기 스택유닛에서 수분이 범람하는 것을 미연에 방지할 수 있으며 설치공간을 줄일 수 있는 연료전지를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 해결하기 위하여, 전해질의 양측에 전극이 각각 배치되어 전해질막이 형성되고 상기 전해질막의 양쪽에 연료극과 공기극을 이루도록 연료유로와 공기유로가 각각 구비되는 복수 개의 바이폴라플레이트가 배치되어 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지가 발생되는 적어도 한 개 이상의 단위셀; 상기 단위셀의 적어도 일측에 배치되어 상기 공기유로로 유입되는 공기를 가습하는 가습기; 및 상기 단위셀과 가습기를 일체로 결합하는 고정부재;를 포함한 연료전지가 제공된다.

본 발명에 의한 연료전지는, 스택부와 가습부를 일체로 결합함으로써 상기 가습부에서 가습된 공기가 곧바로 상기 스택부로 유입됨에 따라 그 스택부를 통과하는 공기가 응축될 가능성이 낮아지게 되고 그로 인해 상기 스택부의 공기유로에서 공기의 범람이나 압력손실이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다. 또, 상기 가습부와 스택부를 연결하기 위한 별도의 배관이 필요 없게 되어 그만큼 연료전지 를 소형화할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 연료전지에서 공기를 가습하기 위한 구성을 보인 계통도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 연료전지는, 탄화수소계의 연료에서 수소를 정제하는 개질유닛(100)과, 상기 개질유닛(100)에 연결하여 정제된 수소를 공급받는 연료극(211)과 공기를 공급받는 공기극(212)을 구비하여 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 생산하며 공기에 대한 가습기능이 일체화된 스택유닛(200)과, 상기 스택유닛(200)의 일측에는 그 스택유닛(200)에 전기적으로 연결되어 전기를 변환하는 전력변환유닛(300)과, 상기 스택유닛(200)에 열교환되게 설치되어 난방/온수를 발생하는 가정용 난방시스템(400)을 포함한다.

상기 스택유닛(200)은 전기와 열을 발생하는 스택부(210)와, 상기 스택부(210)의 일측에 모듈과 같이 일체로 결합되어 그 스택부(210)로 공급되는 공기를 가습하는 가습부(220)로 이루어진다.

상기 스택부(210)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 복수 개의 단위셀(213)들이 적층되어 이루어진다. 상기 단위셀(213)들은 전해질과, 그 전해질의 양면에 각각 배치되는 복수의 전극과, 상기 복수의 전극에 각각 대향되게 배치되고 연료유로와 공기유로가 형성되어 상기 연료극(211)과 공기극(212)을 형성하록 하는 복수의 바이폴라플레이트들로 이루어진다.

상기 단위셀(213)들은 복수 개가 적층되어 그 단위셀(213)들을 관통하는 복수 개의 고정봉(214)들과 그 고정봉(214)들에 각각 체결되는 너트(미도시)들에 의해 고정된다. 그리고 상기 단위셀(213)들의 양측면에는 각각 그 단위셀(213)들을 고정할 때 각 단위셀(213)들의 면압을 일정하게 유지하기 위한 단순평판 모양의 하우징플레이트(215)가 각각 배치되고, 그 양쪽 하우징플레이트(215)는 상기 단위셀(213)들을 고정하는 고정봉(214)과 너트에 의해 상기 단위셀(213)들에 일체로 결합된다. 그리고 상기 하우징플레이트(215)중에서 일측 하우징플레이트(215)의 외측면에는 상기 가습부(220)가 밀착되고, 그 가습부(220)는 상기 단위셀(213)들과 하우징플레이트(215)를 고정하는 고정봉(214)과 너트에 의해 상기 하우징플레이트(215)와 일체로 결합된다. 상기 양쪽 하우징플레이트(215) 중에서 후술할 가습부(220)의 하우징(221)이 결합되는 하우징플레이트(215)에는 상기 단위셀(213)들의 공기입구(213a)와 공기출구(213b)에 각각 연통되는 입구측 공기통공(215a)과 출구측 공기통공(215b)이 형성된다.

상기 가습부(220)는 도 4에서와 같이 그 내부에 소정의 가습공간(S)이 형성되어 상기 단위셀(213), 즉 상기 하우징플레이트(215)의 일측면에 고정되는 하우징(221)과, 상기 하우징(221)의 가습공간(S)에 설치되어 상기 단위셀(213)로 유입되는 공기를 가습하는 가습부재(222)로 이루어진다.

상기 하우징(221)은 전면측의 상부와 하부 그리고 후면측의 하부와 상부에 각각 공기입구(221a)와 공기출구(221b)가 상기 가습부재(222)와 가습공간(S)를 통 해 연결되도록 형성되고, 상기 공기입구(221a)는 상기 가습부재(222)를 통해 상기 하우징플레이트(215)의 입구측 공기통공(215a)에 연통되며, 상기 공기출구(221b)는 상기 하우징플레이트(215)의 출구측 공기통공(215b)을 통해 상기 하우징(221)의 가습공간(S)에 연통된다. 그리고 상기 하우징(221)은 도 3에서와 같이 조립시 그 좌우 양측의 하부와 상부에 각각 입구측 연료유로와 출구측 연료유로 또는 입구측 냉각수유로와 출구측 냉각수유로가 노출되도록 단차지게 형성된다.

상기 가습부재(222)는 그 내부를 통과하는 건공기가 상기 하우징(221)의 가습공간(S)으로 유입되는 습공기로부터 수분을 흡수할 수 있도록 공기는 통과하지 못하는 반면 수분은 통과할 수 있는 재질, 예컨대 중공사막으로 이루어져 지그재그 형상으로 가습유로가 형성될 수 있다. 물론, 상기 중공사막 외에도 공기는 교환되지 않지만 수분이 교환될 수 있는 재질이면 족하다.

상기와 같은 본 발명의 연료전지 시스템에서 공기가 가습되는 과정은 다음과 같다.

즉, 상기 개질유닛(100)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소가 정제되고, 이 수소가 상기 스택유닛(200)의 스택부(210)의 연료유로를 통해 연료극(211)으로 공급되는 반면 공기는 상기 스택부(210)의 공기유로를 통해 공기극(212)으로 공급되며, 상기 연료극(211)에서는 산화반응이, 상기 공기극(212)에서는 환원반응이 일어나 전자가 상기 연료극(211)에서 공기극(212)으로 이동하면서 전기가 발생하게 된다.

이때, 상기 스택부(210)의 공기극(212)으로 유입되는 공기는 적정량의 수분 이 함유되어야 상기 스택의 성능과 신뢰성이 향상될 수 있다. 따라서 공기가 스택유닛(200)의 공기유로로 유입되기 전에 상기 가습부(220)을 통과하도록 하여 공기가 적절하게 가습되도록 하고 있다. 하지만, 상기 가습부(220)가 상기 스택부(210)로부터 떨어져 배관으로 연결되는 경우에는 전술한 바와 같이 가습된 공기가 응축되어 상기 스택부(210)의 공기유로에서 범람이 발생되거나 공기의 압력이 낮아질 수 있고 배관이 차지하는 공간만큼 시스템의 설치공간이 더 필요하게 되는 바, 본 발명에서와 같이 상기 가습부(220)를 스택부(210)에 일체로 결합하게 되면 상기 가습부(220)에서 가습된 공기가 곧바로 상기 스택부(210)의 공기유로로 유입됨에 따라 공기가 응축될 가능성이 낮아지게 되고 그로 인해 상기 스택부(210)의 공기유로에서 공기의 범람이나 압력손실이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다. 또, 상기 가습부(220)와 스택부(210)을 연결하기 위한 별도의 배관이 필요 없게 되어 그만큼 연료전지를 소형화할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 연료전지에서 상기 스택부와 가습부 사이의 조립구조에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 상기 복수 개의 단위셀(213)들을 적층하고 그 양측에 각각 하우징플레이트(215)를 배치한 후 어느 한 쪽 하우징플레이트(215)의 외측면에 상기 가습부(220)를 배치하고 상기 고정봉(214)과 너트(미도시)로 조여 상기 가습부(220)를 스택부(210)에 일체로 결합하는 것이었으나, 본 실시예는 도 5에서와 같이 상기 하우징플레이트(215)가 한쪽에만 배치되고 다른 한쪽에는 상기 가습부(220)를 단위셀(213)의 외측면에 밀착 배치한 후 상기 고정봉(214)과 너트로 조 여 고정하는 것이다. 그리고 도 6에서는 양쪽 하우징플레이트를 생략하고 그 하우징플레이트를 대신하여 상기 가습부(220)(220)를 각각 배치한 후 상기 고정봉(214)과 너트로 고정하는 것이다. 물론 도면으로 도시하지는 않았으나 상기 하우징플레이트를 양측에 배치하고 그 하우징플레이트의 외측면에 상기 가습부를 각각 배치한 후 고정봉과 너트로 조여 고정할 수도 있다.

한편, 본 발명에 의한 연료전지는 복수 개의 모듈셀을 형성하고, 그 복수 개의 모듈셀을 적층하여 상기 스택유닛으로 조립할 수도 있다.

예컨대, 도 7에서와 같이 상기 모듈셀(230)은 복수 개의 단위셀(213)들을 적층하고, 그 적층된 복수 개의 단위셀(213)의 양측에 하우징플레이트(215)를 배치하며, 어느 한쪽 하우징플레이트(215)의 외측면에 상기 가습부(220)를 배치하고, 상기 단위셀(213)과 하우징플레이트(215) 그리고 상기 가습부(220)를 관통하는 복수 개의 제1 고정봉(214)과 그 제1 고정봉(214)에 체결되는 제1 너트(미도시)로 조여 구성된다. 그리고 상기 복수 개의 모듈셀(100)을 모두 관통하는 복수 개의 제2 고정봉(216)과 그 제2 고정봉(216)에 체결되는 복수 개의 제2 너트로 상기 스택유닛(200)을 구성할 수 있다.

또, 도 8에서와 같이 상기 복수 개의 모듈셀(230)을 적층하고 그 복수 개의 모듈셀(230)을 관통하는 복수 개의 고정봉(217)과 그 고정봉(217)에 체결되는 복수 개의 너트로 조여 상기 스택유닛을 구성할 수도 있다.

이와 같이 모듈셀을 조립하여 상기 스택유닛을 형성하는 경우, 연료전지의 운전중에 어느 모듈셀에 이상이 발생하였을 경우 상기 제2 고정봉과 제2 너트를 풀 어 해당 모듈셀을 제거하거나 교체한 후 다시 고정하여 운전을 지속할 수 있으므로 연료전지 시스템의 유지관리비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 연료전지에서 공기를 가습하기 위한 구성을 보인 계통도,

도 2는 도 1에 따른 스택유닛의 분해사시도,

도 3은 도 1에 따른 스택유닛의 조립사시도,

도 4는 도 2에 따른 가습부의 분해사시도,

도 5 및 도 6은 도 1에 따른 스택유닛의 다른 실시예를 보인 조립사시도,

도 7 및 도 8은 도 1에 따른 스택유닛에서 모듈셀의 조립사시도.

Claims

전해질의 양측에 전극이 각각 배치되어 전해질막이 형성되고 상기 전해질막의 양쪽에 연료극과 공기극을 이루도록 연료유로와 공기유로가 각각 구비되는 복수 개의 바이폴라플레이트가 배치되어 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지가 발생되는 적어도 한 개 이상의 단위셀;

상기 단위셀의 적어도 일측에 배치되어 상기 공기유로로 유입되는 공기를 가습하는 가습기; 및

상기 단위셀과 가습기를 일체로 결합하는 고정부재;를 포함한 연료전지.
제1항에 있어서,

상기 단위셀의 양쪽 외측면에 단순평판으로 된 하우징플레이트가 각각 배치되고, 상기 복수 개의 하우징플레이트 중에서 적어도 어느 한 쪽 하우징플레이트의 외측면에 상기 가습기가 배치되는 연료전지.
제2항에 있어서,

상기 가습기와 하우징플레이트와 단위셀이 상기 고정부재에 의해 일체로 결합되는 연료전지.
제1항에 있어서,

상기 단위셀의 한쪽 외측면에는 단순평판으로 된 하우징플레이트가 배치되는 반면 다른 한쪽에는 외측면에 상기 가습기가 배치되는 연료전지.
제4항에 있어서,

상기 가습기와 하우징플레이트와 단위셀이 상기 고정부재에 의해 일체로 결합되는 연료전지.
제1항에 있어서,

상기 단위셀의 적어도 일측면에 상기 가습기가 배치되고 상기 단위셀과 가습기가 상기 고정부재에 의해 일체로 결합되어 한 개의 모듈셀을 구성하고,

상기 모듈셀을 복수 개 적층하여 다른 고정부재로 고정하는 연료전지.
제1항에 있어서,

상기 단위셀의 적어도 일측면에 상기 가습기가 배치되어 한 개의 모듈셀을 구성하고,

상기 모듈셀을 복수 개 적층하여 그 복수 개의 모듈셀과 가습기가 고정부재로 함께 고정하는 연료전지.
제1항에 있어서,

상기 고정부재는 상기 가습기와 하우징플레이트와 단위셀을 관통하는 복수 개의 고정봉과 그 각각의 고정봉에 체결되는 복수 개의 너트로 이루어지는 연료전지 시스템.
제1항 내지 제8항의 어느 한 항에 있어서,

상기 가습기는 상기 단위셀의 공기유로와 연통되도록 공기입구와 공기출구가 형성되고 그 공기입구와 공기출구가 연통되도록 가습공간이 형성되는 하우징과, 상기 하우징의 가습공간에 구비되어 상기 단위셀로 유입되는 공기와 상기 단위셀에서 유출되는 공기 사이에 수분교환이 발생되도록 하는 가습부로 이루어지는 연료전지 시스템.
제9항에 있어서,

상기 가습부는 공기는 통과하지 않는 반면 수분은 통과하는 중공사막을 이용하여 상기 하우징의 공기입구와 상기 단위셀의 공기유로를 연결하도록 가습유로가 형성되어 이루어지는 연료전지 시스템.