KR20090068731A

KR20090068731A - 연료전지의 스택과, 그 스택에 사용되는 바이폴라플레이트및 냉각플레이트

Info

Publication number: KR20090068731A
Application number: KR1020070136470A
Authority: KR
Inventors: 지에 팽; 신재영; 이승재
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-12-24
Filing date: 2007-12-24
Publication date: 2009-06-29
Also published as: US20090162713A1

Abstract

연료전지의 전기생성 반응이 진행되는 단위 셀들이 적층된 스택이 개시된다. 개시된 연료전지의 스택은, 애노드와 전해질막 및 캐소드 등이 적층된 막-전극 조립체; 애노드와 캐소드에 공급될 유체가 각각 흘러가는 반응유로 및, 냉매가 관통하며 지나도록 그 반응유로와 인접하여 형성된 다수의 내부 매니폴드를 구비한 바이폴라플레이트; 냉매가 흘러가는 냉매유로 및, 바이폴라플레이트의 내부 매니폴드와 대응되어 냉매가 관통하며 지나도록 형성된 다수의 내부 매니폴드를 구비한 냉각플레이트;를 포함한다.

Description

연료전지의 스택과, 그 스택에 사용되는 바이폴라플레이트 및 냉각플레이트{Stack for fuel cell and bipolar plate and cooling plate adopted in the same}

본 발명은 연료전지의 전기생성 반응이 진행되는 단위 셀들이 적층된 스택과, 그 스택 안에 설치되는 바이폴라플레이트 및 냉각플레이트에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 즉, 단위 셀의 캐소드(cathode)에 산소를 포함한 공기가, 애노드(anode)에 연료인 수소가스가 각각 공급되면, 그 사이의 전해질막을 통해 물 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 생성된다. 그런데, 이러한 단위 셀 하나에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 여러 개의 단위 셀을 직렬로 연결한 스택(stack)의 형태로 사용하는 것이 일반적이다.

한편, 이와 같이 전기화학반응 과정에서는 전기 뿐 아니라 열도 같이 발생하기 때문에, 연료전지의 원활한 가동을 위해서는 이 열을 계속해서 식혀줄 필요가 있다.

따라서, 연료전지 스택의 원활한 가동을 위해서는 애노드와 캐소드에 연료와 산소를 잘 공급하면서 반응열도 쉽게 식혀줄 수 있는 구조가 요구된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 스택은, 애노드와 전해질막 및 캐소드 등이 적층된 막-전극 조립체; 상기 애노드와 캐소드에 공급될 유체가 각각 흘러가는 반응유로 및, 냉매가 관통하며 지나도록 상기 반응유로와 직결되지 않는 인접위치에 형성된 다수의 내부 매니폴드를 구비한 바이폴라플레이트; 상기 냉매가 흘러가는 냉매유로 및, 상기 바이폴라플레이트의 내부 매니폴드와 대응되어 상기 냉매가 관통하며 지나도록 형성된 다수의 내부 매니폴드를 구비한 냉각플레이트;를 포함한다.

여기서, 상기 바이폴라플레이트의 반응유로와 상기 냉각플레이트의 냉매유로는 각각의 몸체 중앙부에 형성되고, 상기 바이폴라플레이트의 내부 매니폴드와 상기 냉각플레이트의 내부 매니폴드는 각각의 몸체 가장자리부에 형성될 수 있다.

상기 막-전극 조립체는 상기 반응유로와 접하고, 상기 내부 매니폴드와는 접하지 않도록 배치될 수 있다.

상기 바이폴라플레이트에는 상기 반응유로와 직결된 연료유입매니폴드 및 연료유출매니폴드가 구비되고, 상기 냉각플레이트에는 상기 냉매유로와 연결된 냉매유입매니폴드 및 냉매유출매니폴드가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라플레이트는, 유체가 흘러가는 반응유로 및, 냉매가 관통하며 지나도록 상기 반응유로와 직결되지 않는 인접위치에 형성된 다수의 내부 매니폴드를 구비한다.

상기 반응유로는 몸체 중앙부에 형성되고, 상기 내부 매니폴드는 몸체 가장 자리부에 형성될 수 있다.

상기 반응유로와 직결되어 연료의 유입과 유출의 통로를 형성하는 연료유입매니폴드 및 연료유출매니폴드가 더 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각플레이트는, 냉매가 흘러가는 냉매유로와, 그 냉매유로와 직결되어 냉매의 유입과 유출의 통로를 형성하는 냉매유입매니폴드 및 냉매유출매니폴드; 상기 냉매유임매니폴드 및 냉매유출매니폴드와 별도로 냉매가 관통하며 지날 수 있게 상기 냉매유로와 인접하여 형성된 다수의 내부 매니폴드를 구비한다.

상기 냉매유로는 몸체 중앙부에 형성되고, 상기 내부 매니폴드는 몸체 가장자리부에 형성될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 스택 구조를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 본 실시예의 스택은 단위 셀(100)들이 다수개 적층되고, 그 단위 셀(100)들 5~6개 마다 전기생성 반응 시의 반응열을 식히기 위한 냉각플레이트(130)가 설치된 구조로 이루어져 있다.

먼저, 상기 단위 셀(100)은, 애노드(121)와 전해질막(123) 및 캐소드(122)가 적층된 막-전극 조립체(120)와, 상기 애노드(121) 및 캐소드(122)에 공급될 연료와 산소의 유로를 형성하는 바이폴라플레이트(110)가 적층된 구조를 갖는다. 상기 바이폴라플레이트(110)는 양면에 연료와 산소가 지나가는 반응유로(112a)(112b)가 각각 형성되어 있어서, 한 쪽면(112a)은 애노드(121)와 다른 쪽면(112b)은 캐소드(122)와 각각 대면하도록 적층된다. 따라서, 연료는 연료유입매니폴드(111a)로 들어와서 바이폴라플레이트(110)의 일면에 형성된 반응유로(112a)를 따라 흐른 후 연료유출매니폴드(113a)를 통해 빠져나가는 동안 일부가 애노드(121)에 공급되고, 산소 공급원인 공기는 공기유입매니폴드(111b)로 들어와서 바이폴라플레이트(110)의 타면에 형성된 반응유로(112b)를 따라 흐른 후 공기유출매니폴드(113b)를 통해 빠져나가는 동안 일부가 캐소드(122)에 공급된다.

그리고, 상기 냉각플레이트(130)에는 냉각수나 냉각오일과 같은 냉매가 흘러가기 위한 냉매유로(132)가 형성되어 있다. 따라서, 냉매유입매니폴드(131)로 들어온 냉매는 냉매유로(132)를 통과하면서 인접한 바이폴라플레이트(110)를 통해 전열되어 오는 반응열을 흡수한 후 냉매유출매니폴드(133)를 통해 빠져나가게 된다. 물론, 냉매유로(132)를 빠져나간 흡열 상태의 냉매는 적정한 열교환기(미도시)를 통과하면서 흡열 전의 상태로 다시 식혀진 후 순환하게 된다.

한편, 도면에는 도시되지 않았으나 모든 유체가 통과하는 구멍 주위에는 실링을 위한 오-링이 설치될 수 있다.

한편, 상기 바이폴라플레이트(110)와 냉각플레이트(130)에는 상기 냉매를 관통하여 지나갈 수 있도록 내부매니폴드(114)(134)가 다수 개 형성되어 있다. 이 내부매니폴드(134)는, 냉매의 흐름이 상기 냉매유입매니폴드(131)와 냉매유로(132) 및 냉매유출매니폴드(133)를 경유하는 유로에 국한되지 않고, 두 플레이트(110)(130)의 가장자리를 통해서도 지나갈 수 있게 또 다른 유로를 형성해주는 기능을 한다. 이것은 단위 셀(100)의 반응열을 식히는데 매우 효율적인 구조가 된다. 그 이유를 설명하면 다음과 같다.

만일, 내부매니폴드(114)(134)가 없이 냉매가 상기 냉매유입매니폴드(131)와 냉매유로(132) 및 냉매유출매니폴드(133)를 통해서만 순환하는 구조라면, 단위 셀(100)에서 생성된 반응열은 도 1의 실선 화살표와 같이 단위 셀(100)의 적층 방향을 따라 냉각플레이트(130)로 전열된 후 냉매에 흡수되는 식으로 제거된다. 그런데, 단위 셀(100)의 막-전극 조립체(120)와 바이폴라플레이트(110)는 열전도도가 약 100배까지 차이가 난다. 즉, 막-전극 조립체(120)의 열전도도가 예컨대 1.0W/m.k 라면, 바이폴라플레이트(110)는 100W/m.k 정도로 현저히 차이가 나는 열전도도를 보인다. 따라서, 열전도도가 높은 바이폴라플레이트(110)를 통해서는 전열이 잘 이루어지는데 비해, 막-전극 조립체(120)를 통해서는 전열이 잘 이루어지지 않게 된다. 그런데, 단위 셀(100)의 구조를 보면 바이폴라플레이트(110)의 중 앙부 대부분의 면적을 막-전극 조립체(120)가 덮고 있고, 일부 가장자리 부분만 바이폴라플레이트(110) 끼리 접하게 되므로, 적층 방향으로의 전열은 막-전극 조립체(120)의 영향을 많이 받게 된다. 즉, 바이폴라플레이트(110)의 넓은 영역을 덮고 있는 막-전극 조립체(120)들 때문에, 냉각플레이트(130)를 향해 적층 방향으로 전달되는 전열 속도는 느려질 수밖에 없으며, 또한 막-전극 조립체(120)가 덮고 있는 중앙 영역과 그렇지 않은 가장자리 영역 사이에 온도차도 커지게 된다. 이렇게 되면 냉각 효율이 떨어지게 되고, 온도차가 심해지면 열응력에 의한 변형 문제도 발생될 수 있다.

그러나, 상기와 같이 가장자리부에 냉매가 관통하며 지나갈 수 있는 내부매니폴드(114)(134)를 형성하면, 각 바이폴라플레이트(110) 마다 면 방향(도 1의 점선 화살표)으로 퍼지는 열을 상기 내부매니폴드(114)를 지나는 냉매가 신속하게 흡수할 수 있기 때문에, 냉각이 아주 효율적으로 이루어지게 된다. 즉, 단위 셀(100)들의 적층 방향으로 전열되는 열 외에도, 각 바이폴라플레이트(110)의 면 방향으로 전열되는 열을 상기 내부매니폴드(114)를 지나는 냉매로 신속하게 흡수할 수 있게 함으로써 냉각 속도를 크게 향상시킬 수 있다. 도 2는 스택 내에서의 냉매의 흐름만을 도시한 것인데, 도면과 같이 냉매는 냉각플레이트(130)의 냉매유로(132) 뿐만 아니라, 내부매니폴드(114)(134)를 통해서도 흘러가면서 단위 셀(100)에서 생성된 반응열을 식혀주게 된다.

한편, 이러한 구조는 상기와 같이 반응열을 식히는 냉각 성능 향상에도 효과가 있지만, 반대로 승온 성능의 향상에도 효과가 있다. 즉, 연료전지를 처음 기동 할 때에는, 냉매를 히터 등으로 데워서 스택 안으로 통과시키며 작동에 적합한 온도에 도달할 때까지 워밍업을 하는데, 이때 상기와 같이 냉매가 통과하는 유로가 냉매유로(12) 뿐 아니라 내부매니폴드(114)(134)를 통해 바이폴라플레이트(100)의 가장자리를 통과하는 유로까지 있으면 승온도 빠르게 진행되어 워밍업에 걸리는 시간을 단축할 수 있다.

이와 같은 구성의 연료전지용 스택은 다음과 같이 가동될 수 있다.

우선, 초기 기동 시에는 냉매를 히터 등으로 가열하여 도 1에 도시된 스택 내의 냉매가 통과하는 모든 유로를 통해 공급한다. 그러면, 가열된 냉매에 의해 스택이 가열되면서 정상 가동에 적합한 온도로 승온된다. 이때 전술한 바와 같이 냉매유로(132)와 내부매니폴드(114)(134)를 통해 고른 가열이 진행되므로 승온이 빠르게 진행될 수 있다.

이후, 스택의 온도가 정상 가동에 적합한 온도에 도달하면, 상기 바이폴라플레이트(110)의 반응유로(112a)(112b)를 통해 연료와 산소를 공급하면서 전기생성 반응을 개시하게 된다. 물론, 이때에는 가열된 냉매가 아니라 반응열을 식히기 위한 상온 상태의 냉매가 스택 안을 순환하게 된다. 그러면, 상기 막-전극 조립체(120)에서는 애노드(121)로 공급된 연료와 캐소드(122)로 공급된 공기 중의 산소가 반응하여 전기를 생성하게 되고, 이때 발생되는 반응열은 상기 냉매가 순환하면서 흡수하여 식혀주게 된다.

따라서, 이러한 구조에 의하면 원활한 전기생성반응을 진행하면서 반응열의 냉각을 효율적으로 수행할 수 있고 초기 승온도 빠르게 진행할 수 있는 스택 구조 가 구현될 수 있다.

한편, 상기한 내부매니폴드의 모양과 개수는 도면에 도시된 것뿐 아니라, 필요에 따라 다양한 형상과 개수로 변형할 수 있다.

본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 스택 구조를 도시한 도면,

도 2는 도 1에 도시된 스택에서 냉매가 흐르는 유로만을 도시한 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100...단위 셀 110...바이폴라플레이트

120...막-전극 조립체 121...애노드(anode)

122...캐소드(cathode) 123...전해질막

130...냉각플레이트

Claims

애노드와 전해질막 및 캐소드 등이 적층된 막-전극 조립체;

상기 애노드와 캐소드에 공급될 유체가 각각 흘러가는 반응유로 및, 냉매가 관통하며 지나도록 상기 반응유로와 직결되지 않는 인접위치에 형성된 다수의 내부 매니폴드를 구비한 바이폴라플레이트;

상기 냉매가 흘러가는 냉매유로 및, 상기 바이폴라플레이트의 내부 매니폴드와 대응되어 상기 냉매가 관통하며 지나도록 형성된 다수의 내부 매니폴드를 구비한 냉각플레이트;를 포함하는 연료전지의 스택.
제1항에 있어서,

상기 바이폴라플레이트의 반응유로와 상기 냉각플레이트의 냉매유로는 각각의 몸체 중앙부에 형성되고, 상기 바이폴라플레이트의 내부 매니폴드와 상기 냉각플레이트의 내부 매니폴드는 각각의 몸체 가장자리부에 형성된 연료전지의 스택.
제1항에 있어서,

상기 막-전극 조립체는 상기 반응유로와 접하고, 상기 내부 매니폴드와는 접하지 않도록 배치된 연료전지의 스택.
제1항에 있어서,

상기 바이폴라플레이트에는 상기 반응유로와 직결된 연료유입매니폴드 및 연료유출매니폴드가 구비되고, 상기 냉각플레이트에는 상기 냉매유로와 연결된 냉매유입매니폴드 및 냉매유출매니폴드가 구비된 연료전지의 스택.
유체가 흘러가는 반응유로 및,

냉매가 관통하며 지나도록 상기 반응유로와 직결되지 않는 인접위치에 형성된 다수의 내부 매니폴드를 구비하는 바이폴라플레이트.
제5항에 있어서,

상기 반응유로는 몸체 중앙부에 형성되고, 상기 내부 매니폴드는 몸체 가장자리부에 형성된 바이폴라플레이트.
제5항에 있어서,

상기 반응유로와 직결되어 연료의 유입과 유출의 통로를 형성하는 연료유입매니폴드 및 연료유출매니폴드가 더 구비된 바이폴라플레이트.
냉매가 흘러가는 냉매유로와,

그 냉매유로와 직결되어 냉매의 유입과 유출의 통로를 형성하는 냉매유입매니폴드 및 냉매유출매니폴드;

상기 냉매유임매니폴드 및 냉매유출매니폴드와 별도로 냉매가 관통하며 지날 수 있게 상기 냉매유로와 인접하여 형성된 다수의 내부 매니폴드를 구비한 냉각플레이트.
제8항에 있어서,

상기 냉매유로는 몸체 중앙부에 형성되고, 상기 내부 매니폴드는 몸체 가장자리부에 형성된 냉각플레이트.