KR20090089728A - 연료 전지의 스택 - Google Patents

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KR20090089728A
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이길용
정민경
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료 전지의 스택을 개시한다. 본 발명은 양면에 각각 유체가 유동하는 유로가 형성된 플레이트부에 각각 연장 돌출 형성되는 복수 개의 제1 얼라인부들을 포함하는 바이폴라 플레이트들이 그 제1 얼라인부들이 서로 일치하도록 적층된 플레이트 적층체와; 상기 바이폴라 플레이트의 제1 얼라인부들과 상응하는 제2 얼라인부들이 연장 돌출 형성되며 그 제2 얼라인부들이 제1 얼라인부들과 일치하도록 상기 바이폴라 플레이트 사이에 각각 위치하는 엠이에이들과; 상기 바이폴라 플레이트들과 엠이에이들을 고정 결합시키는 결합 유닛을 포함한다. 이로 인하여 스택의 내부를 유동하는 유체의 누설을 방지할 뿐만 아니라 스택에서 발생되는 전기 에너지를 외부로 출력하는 구조를 간단하게 할 수 있도록 한 것이다.

Description

연료 전지의 스택{STACK FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 특히 스택을 구성하는 구성 부품들을 적층시 그 구성 부품들이 서로 정확한 위치에 적층되게 할 뿐만 아니라 스택에서 발생되는 전기 에너지를 외부로 출력하는 구조를 간단하게 할 수 있도록 한 연료 전지의 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 환경 친화적인 에너지로 기존의 화석 연료를 대체하기 위하여 개발이 진행되고 있다.
연료전지의 구성은, 도 1에 도시한 바와 같이, 전기 화학적 반응이 일어나는 단위 전지(CU)가 한 개 또는 복수 개가 결합되는 스택(S)과, 그 스택(S)에 연료가 공급되도록 연결되는 연료 공급유로(FL)와, 상기 스택(S)에 공기가 공급되도록 연결되는 공기 공급유로(AL)와, 상기 스택(S)에서 반응을 거친 잔류 연료와 공기의 부산물이 각각 배출되는 배출라인(L1)(L2)들을 포함하여 구성된다.
상기 스택(S)의 일예로, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 스택은 양면에 각각 유체가 유동하는 유로(111)가 구비된 바이폴라 플레이트(110)들과, 상기 바이폴라 플레이트(110)들의 양쪽 끝에 각각 위치하는 앤드 플레이트(120)와, 상기 바이폴라 플레이트(110)들의 사이에 각각 위치하는 엠이에이(M.E.A; Membrane Electrode Assembly)(130)와, 상기 바이폴라 플레이트(110)와 엠이에이(130) 사이 그리고 바이폴라 플레이트(110)와 앤드 플레이트(110) 사이에 각각 위치하는 개스킷(gasket)(미도시)들과, 상기 부품들을 체결하는 체결 수단을 포함하여 구성된다.
상기 바이폴라 플레이트(110)는 일정 두께를 갖는 사각 형태로 형성된 사각판(112)과 그 양측면에 각각 형성된 유로(111)와, 상기 사각판(112)에 형성되어 그 유로(111)들에 연료 또는 공기가 유입되고 유출되는 통로들(113)을 포함하여 구성된다.
상기 바이폴라 플레이트(110)는 사각판 형태 이외에도 원형 등 다양한 형태로 형성된다. 그리고 상기 바이폴라 플레이트(110)들을 적층시 상기 통로들(113)은 연료 공급유로와 공기 공급유로 그리고 배출 유로를 형성하게 되며, 그 통로들(113)은 다양한 형태로 구현된다. 상기 사각판(112)의 유로(111)는 유체가 균일하게 흐르도록 다수 개의 채널들로 이루어지며 그 채널은 일측이 개구되고 홈 형상으로 형성된다. 상기 유로(111)의 형상은 다양하게 구현된다.
상기 엠이에이(130)는 일정 면적을 갖는 멤브레인과 그 멤브레인의 양면에 각각 코팅된 촉매층을 포함하여 구성된다. 상기 엠이에이는 바이폴라 플레이트(110)들 사이에 위치하여 한쪽은 연료극을 이루고 다른 한쪽은 공기극을 이루게 된다. 상기 멤브레인에 상기 사각판과 같은 통로가 구비된다.
상기 체결 수단(140)의 일예로 볼트(141)들과 그 볼트(141)에 각각 체결되는 너트(142)로 이루어지며, 그 볼트(141)는 상기 앤드 플레이트(120)들과 바이폴라 플레이트(110)들과 개스킷 그리고 엠이에이(130)들을 관통하고 그 관통한 볼트(141)에 너트(142)를 체결하여 그 구성 부품들을 체결할 수 있다.
또한 다른 형태로 볼트(141)가 앤드 플레이트(120)들만 관통하고 그 관통된 볼트(141)에 너트(142)를 체결하여 그 두 개의 앤드 플레이트(120)들의 지지력에 구성 부품들을 결합시킨다.
상기한 바와 같은 연료 전지의 작동은 다음과 같다.
먼저, 연료와 공기가 상기 연료 공급유로(FL)와 공기 공급유로(AL)를 통해 스택(S)의 연료극과 공기극에 각각 공급된다. 상기 연료극에 공급된 연료는 그 연료극에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 양이온과 전자 e- 로 이온화되고 그 이온화된 양이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하게 되며 그 전자는 연료극을 통해 부하로 이동하게 된다. 상기 공기극으로 이동한 양이온은 그 공기극측으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물 등의 부산물을 발생시키게 된다. 이 과정에서 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.
상기 연료극에서 반응을 거친 연료와 상기 공기극에서 발생되는 물 및 기타 부산물은 상기 배출라인(L1)(L2)을 통해 각각 배출된다.
이와 같은 연료전지는 사용되는 전해질과 연료 등에 따라 다양한 형태로 분류된다.
한편, 상기 연료 전지에서 발생되는 전기 에너지를 증가시키고 스택(S)을 소형화하기 위하여 스택(S)을 구성하는 바이폴라 플레이트(110)의 수가 증가할 뿐만 아니라 그 바이폴라 플레이트(110)의 두께와 크기가 작아지고 있다. 아울러, 연료 및 공기가 유동하는 바이폴라 플레이트(110)의 채널들의 크기가 미세화되고 있다.
그러나 이와 같이 스택(S)을 구성하는 바이폴라 플레이트(110)들의 수가 증가하고 그 크기가 감소될 뿐만 아니라 그 채널의 크기가 미세화됨에 따라 그 바이폴라 플레이트(110)들을 적층하는 과정에서 구성 부품들 사이에 이탈이 발생되어 구성 부품들이 정확한 위치에 적층되지 못하게 된다. 특히 각 구성 부품, 즉 바이폴라 플레이트(110), 엠이에이(130) 그리고 개스킷 등의 각 물성이 달라 그 구성 부품들이 정확한 위치에 서로 적층되지 못하게 된다. 이로 인하여, 스택(S)의 내부를 유동하는 연료 및 공기 등의 액체와 유체가 누설되는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 스택을 구성하는 구성 부품들을 적층시 그 구성 부품들이 서로 정확한 위치에 적층되게 할 뿐만 아니라 스택에서 발생되는 전기 에너지를 외부로 출력하는 구조를 간단하게 할 수 있도록 한 연료 전지의 스택을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 양면에 각각 유체가 유동하는 유로가 형성된 플레이트부에 각각 연장 돌출 형성되는 복수 개의 제1 얼라인부들을 포함하는 바이폴라 플레이트들이 그 제1 얼라인부들이 서로 일치하도록 적층된 플레이트 적층체와; 상기 바이폴라 플레이트의 제1 얼라인부들과 상응하는 제2 얼라인부들이 연장 돌출 형성되며 그 제2 얼라인부들이 제1 얼라인부들과 일치하도록 상기 바이폴라 플레이트 사이에 각각 위치하는 엠이에이들과; 상기 바이폴라 플레이트들과 엠이에이들을 고정 결합시키는 결합 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 스택이 제공된다.
상기 바이폴라 플레이트의 플레이트부는 두께가 일정한 사각 형상이며 상기 제1 얼라인부들은 면적이 작은 측면에 각각 연장 돌출 형성된다.
상기 제1 얼라인부는 일정 두께를 가지며 반원 형태로 형성되고 그 내부에 관통 구멍이 형성되어 이루어진다.
상기 결합 유닛은 상기 플레이트 적층체의 양측에 각각 위치하는 앤드 플레 이트들과 그 앤드 플레이트에 관통되는 복수 개의 볼트들과, 그 볼트들에 각각 체결되는 너트들을 포함하여 구성된다.
본 발명의 연료 전지의 스택은 바이폴라 플레이트와 엠이에이 그리고 개스킷 등이 외부로 돌출된 얼라인부들을 구비하게 되어 그 바이폴라 플레이트들과 엠이에이들 그리고 개스킷들을 적층시 얼라인 폴들을 이용하여 정확하게 적층할 수 있게 될 뿐만 아니라 그 바이폴라 플레이트와 엠이에이 그리고 개스킷들의 적층체를 고정 결합시 그 적층체가 흐트러짐이 없게 된다. 이로 인하여, 적층체를 구성하는 부품들의 위치가 정확하게 되어 그 적층체 내부로 유동하는 유체의 누설을 방지하게 된다.
또한, 상기 바이폴라 플레이트와 엠이에이 그리고 개스킷 등이 외부로 돌출된 얼라인부들을 구비하게 되어 부품들을 적층 및 체결시 발생될 수 불순물 등이 유로측으로 유입되는 것을 방지하게 되어 불순물로 인한 연료의 오염 및 유로의 막힘을 방지하게 된다. 특히, 바이폴라 플레이트의 유로들이 미세하여 식각에 의해 그 유로를 형성하게 된 경우 그 유로의 막힘을 방지하는데 효과적이다.
또한, 상기 바이폴라 플레이트와 엠이에이 그리고 개스킷 등이 외부로 돌출된 얼라인부들을 구비하게 되어 바이폴라 플레이트들이 메탈(Metal)로 이루어질 경우 그 얼라인부를 직접 전압 센싱 단자로 사용하여 전압을 측정할 수 있어 구성 부품을 간소화시키게 된다.
이하, 본 발명의 연료 전지 스택의 실시예를 첨부도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 연료 전지 스택의 일실시예를 도시한 사시도이고, 도 4는 상기 연료 전지 스택의 일실시예를 부분 분해하여 도시한 사시도이다.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지 스택의 일실시예는 양면에 각각 유체가 유동하는 유로(211)가 형성된 플레이트부(212)에 각각 연장 돌출 형성되는 복수 개의 제1 얼라인부(A1)들을 포함하는 바이폴라 플레이트(210)들이 그 제1 얼라인부(A1)들이 서로 일치하도록 적층된 플레이트 적층체와; 상기 바이폴라 플레이트(210)의 제1 얼라인부(A1)들과 상응하는 제2 얼라인부(A2)들이 연장 돌출 형성되며 그 제2 얼라인부(A2)들이 제1 얼라인부(A1)들과 일치하도록 상기 바이폴라 플레이트(210) 사이에 각각 위치하는 엠이에이들을 포함하여 구성된다.
상기 바이폴라 플레이트(210)는 일정 두께를 갖는 직사각형 형태로 형성된 플레이트부(212)와, 그 플레이트부(212)의 양측면에 각각 형성된 유로(211)와, 상기 플레이트부(212)에 각각 연장 돌출 형성되는 복수 개의 제1 얼라인부(A1)들과, 상기 플레이트부(212)에 형성되어 그 유로(211)들에 연료 또는 공기가 유입되고 유출되는 통로(213)들을 포함하여 구성된다.
상기 유로(211)는 플레이트부(212)의 면적이 넓은 면에 각각 형성되며 그 유로(211)가 형성된 면은 서로 반대편에 위치하게 된다. 그리고 상기 제1 얼라인부(A1)들은 면적이 작은 플레이트부(212)의 측면에 각각 형성됨이 바람직하며, 그 제1 얼라인부(A1)들이 형성되는 면은 서로 반대편에 위치하게 된다.
상기 제1 얼라인부(A1)는 일정 두께를 가지며 반원 형태로 연장 돌출 형성된 돌출부(215)와, 그 돌출부(215)의 내부에 관통 형성되는 얼라인 홀(214)로 이루어짐이 바람직하다.
상기 제1 얼라인부(A1)의 변형예로, 도 5에 도시한 바와 같이, 그 제1 얼라인부(A1)는 일정 두께를 가지며 반원 형태로 연장 돌출 형성되는 돌출부와, 그 돌출부의 내부에 일측이 개구된 얼라인 홈으로 이루어진다.
상기 제1 얼라인부(A1)의 다른 변형예로, 도 6에 도시한 바와 같이, 그 제1 얼라인부(A1)는 일정 두께를 가지며 사각 형태로 연장 돌출 형성되는 돌출부(217)와, 그 돌출부(217)의 내부에 관통 형성되는 얼라인 홀(218)로 이루어진다.
상기 제1 얼라인부(A1)의 다른 변형예로, 도 7에 도시한 바와 같이, 그 제1 얼라인부(A1)는 일정 두께를 가지며 사각 형태로 연장 돌출 형성되는 돌출부(217)와, 그 돌출부(217)의 내부 일측이 개구된 얼라인 홈(219)으로 이루어진다.
상기 유로(211)는 유체가 균일하게 흐르도록 다수 개의 채널들로 이루어지며 그 채널은 일측이 개구된 홈 형상으로 형성된다. 상기 유로(211)의 형상은 다양하게 구현된다.
상기 플레이트부(212)에 복수 개의 통로(213)들이 형성되며 그 통로(213)들은 바이폴라 플레이트(210)들을 적층시 연료 공급유로와 공기 공급유로 그리고 배출 유로를 형성하게 된다. 그 통로(213)들은 다양한 형태로 구현된다.
상기 각 바이폴라 플레이트(210)는 직사각형 형태 이외에도 원형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 엠이에이(220)는 일정 면적을 갖는 멤브레인과 그 멤브레인의 양면에 각각 코팅된 촉매층을 포함하여 구성된다. 상기 엠이에이(220)는 바이폴라 플레이트(210)들 사이에 위치하여 한쪽은 연료극을 이루고 다른 한쪽은 공기극을 이루게 된다.
상기 멤브레인은 상기 바이폴라 플레이트(210)의 플레이트부(212)와 상응하게 직사각형 형태의 내부에 바이폴라 플레이트(210)의 통로와 상응하게 통로가 형성되며 그 직사각형 형태의 양측에 상기 제1 얼라인부(A1)들과 상응하게 제2 얼라인부(A2)들이 연장 돌출 형성되어 이루어진다. 상기 제2 얼라인부(A2)는 상기 제1 얼라인부(A1)와 같이 다양한 형태로 형성된다.
그리고 결합 유닛이 상기 바이폴라 플레이트(210)들과 엠이에이(220)들을 고정 결합시킨다.
상기 결합 유닛은 상기 플레이트 적층체의 양측에 각각 위치하는 앤드 플레이트(230)들과 그 앤드 플레이트(230)에 관통되는 복수 개의 볼트(241)들과, 그 볼트(241)들에 각각 체결되는 너트(242)들을 포함하여 구성된다. 상기 앤드 플레이트(230)에 각각 상기 바이폴라 플레이트(210)의 제1 얼라인부(A1)들과 상응하도록 위치 설정홀(231)들이 구비된다.
상기 복수 개의 볼트(241)들은 상기 바이폴라 플레이트(210)들과 엠이에이(220)들을 고정 결합시키는 다음 방법으로 상기 볼수 개의 볼트(241)들이 상기 앤드 플레이트(230)들과 바이폴라 플레이트(210)들 그리고 엠이에이(220)들을 모두 관통하고 그 볼트(241)들에 각각 너트(242)가 체결될 수 있다.
상기 바이폴라 플레이트(210)와 엠이에이(220) 사이 그리고 바이폴라 플레이트(210)와 앤드 플레이트(230) 사이에 각각 개스킷(gasket)(미도시)이 구비될 수 있다. 상기 개스킷은 일정 폭을 갖는 사각 링 형태의 양측면에 상기 제1,2 얼라인부들(A1)(A2)과 상응하게 제3 얼라인부들이 각각 형성되어 이루어진다.
상기한 바와 같은 본 발명의 연료 전지 스택의 조립 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 8에 도시한 바와 같이, 하나의 앤드 플레이트(230)에 일정 길이를 가지는 환봉 형태의 얼라인 폴(align pole)(250)을 상기 바이폴라 플레이트(210)의 제1 얼라인부(A1)들과 상응하는 위치 설정홀(231)들에 위치하도록 결합하게 된다. 그리고 상기 앤드 플레이트(230) 위에 바이폴라 플레이트(210)와 엠이에이(220) 그리고 개스킷을 번갈아가며 적층시키며, 이때 바이폴라 플레이트(210)의 제1 얼라인부(A1)들이 상기 얼라인 폴(250)들에 각각 일치하도록 결합하여 적층하게 된다. 상기 엠이에이(220)의 제2 얼라인부(A2)들과 개스킷(미도시)의 제3 얼라인부들이 각각 얼라인 폴(250)들에 각각 일치하도록 결합하여 적층하게 된다.
그리고 바이폴라 플레이트(210)와 엠이에이(220) 그리고 개스킷의 적층체 위에 앤드 플레이트(230)를 올려 놓고 다수 개의 볼트(241)와 너트(242)로 앤드 플레이트(230)들을 체결함에 의해 그 적층체들을 고정 결합시키게 된다.
그리고 그 얼라인 폴(250)들을 빼내어 제거하게 된다.
이하, 본 발명의 연료 전지 스택의 일실시예의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 연료와 공기가 상기 연료 공급유로와 공기 공급유로를 통해 스택의 유로(211)들, 즉 연료극과 공기극에 각각 공급된다. 상기 연료극에 공급된 연료는 그 연료극에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 양이온과 전자 e- 로 이온화되고 그 이온화된 양이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하게 되며 그 전자는 연료극을 통해 부하로 이동하게 된다.
상기 공기극으로 이동한 양이온은 그 공기극측으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물 등의 부산물을 발생시키게 된다. 이 과정에서 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.
본 발명은 바이폴라 플레이트(210)와 엠이에이(220) 그리고 개스킷 등이 외부로 돌출된 얼라인부들(A1)(A2)을 구비하게 되어 그 바이폴라 플레이트(210)들과 엠이에이(220)들 그리고 개스킷들을 적층시 얼라인 폴(250)들을 이용하여 정확하게 적층할 수 있게 될 뿐만 아니라 그 바이폴라 플레이트(210)와 엠이에이(220) 그리고 개스킷들의 적층체를 고정 결합시 그 적층체가 흐트러짐이 없게 된다. 이로 인하여, 적층체를 구성하는 부품들의 위치가 정확하게 되어 그 적층체 내부로 유동하는 유체의 누설을 방지하게 된다.
상기 바이폴라 플레이트(210)와 엠이에이(220) 그리고 개스킷 등이 외부로 돌출된 얼라인부들(A1)(A2)을 구비하게 되어 부품들을 적층 및 체결시 발생될 수 불순물 등이 유로(211)측으로 유입되는 것을 방지하게 되어 불순물로 인한 연료의 오염 및 유로(211)의 막힘을 방지하게 된다. 특히, 바이폴라 플레이트(210)의 유로(211)들이 미세하여 식각에 의해 그 유로(211)를 형성하게 된 경우 그 유로(211) 의 막힘을 방지하는데 효과적이다.
만일, 바이폴라 플레이트(210)와 엠이에이(220) 그리고 캐스킷에 각각 얼라인부를 내부에 형성하게 될 경우 불필요한 공간(dead space)을 남기게 되어 재료의 소모를 유발시키게 되나, 그 얼라인부들이 외부로 돌출되어 재료의 소모를 방지하게 된다.
상기 바이폴라 플레이트(210)와 엠이에이(220) 그리고 개스킷 등이 외부로 돌출된 얼라인부들(A1)(A2)을 구비하게 되어 바이폴라 플레이트(210)들이 메탈(Metal)로 이루어질 경우 그 얼라인부를 직접 전압 센싱 단자로 사용하여 전압을 측정할 수 있어 구성 부품을 간소화시키게 된다.
도 1은 일반적인 연료 전지의 일예를 도시한 정면도,
도 2는 상기 연료 전지의 스택을 분해하여 도시한 사시도,
도 3은 본 발명의 연료 전지 스택의 일실시예를 도시한 사시도,
도 4는 본 발명의 연료 전지 스택의 일실시예를 구성하는 바이폴라 플레이트와 엠이에이를 도시한 분해 사시도,
도 5,6,7은 본 발명의 연료 전지 스택의 일실시예를 구성하는 얼라인부의 다른 변형예를 도시한 평면도,
도 8은 본 발명의 연료 전지 스택의 일실시예의 결합 과정을 도시한 사시도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
210; 바이폴라 플레이트 211; 유로
212; 플레이트부 220; 엠이에이
230; 앤드 플레이트 241; 볼트
242; 너트 A1; 제1 얼라인부
A2; 제2 얼라인부

Claims (5)

  1. 양면에 각각 유체가 유동하는 유로가 형성된 플레이트부에 각각 연장 돌출 형성되는 복수 개의 제1 얼라인부들을 포함하는 바이폴라 플레이트들이 그 제1 얼라인부들이 서로 일치하도록 적층된 플레이트 적층체와;
    상기 바이폴라 플레이트의 제1 얼라인부들과 상응하는 제2 얼라인부들이 연장 돌출 형성되며 그 제2 얼라인부들이 제1 얼라인부들과 일치하도록 상기 바이폴라 플레이트 사이에 각각 위치하는 엠이에이들과;
    상기 바이폴라 플레이트들과 엠이에이들을 고정 결합시키는 결합 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 스택.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트의 플레이트부는 두께가 일정한 사각 형상이며 상기 제1 얼라인부들은 면적이 작은 측면에 각각 연장 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지의 스택.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 얼라인부는 일정 두께를 가지며 반원 형태로 연장 돌출 형성된 돌출부와, 그 돌출부의 내부에 관통 형성된 얼라인 홀로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지의 스택.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 얼라인부는 일정 두께를 가지며 사각 형태로 연 장 돌출 형성된 돌출부와, 그 돌출부의 내부에 관통 형성된 얼라인 홀로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지의 스택.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 결합 유닛은 상기 플레이트 적층체의 양측에 각각 위치하는 앤드 플레이트들과, 그 앤드 플레이트에 관통되는 복수 개의 볼트들과, 그 볼트들에 각각 체결되는 너트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 스택.
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