KR20100083699A - 연료 전지 스택 및 이를 이용한 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 스택은 내부를 균일하게 냉각할 수 있도록 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 생성 유닛, 및 상기 연료 전지 스택에 형성된 냉각 통로로 유입되는 냉각 매체를 분산시킬 수 있도록 다공성 소재로 이루어진 조절부재를 포함한다.
연료 전지, 조절부재, 다공성, 후층부, 박층부

Description

연료 전지 스택 및 이를 이용한 연료 전지 시스템{FUEL CELL STACK AND FUEL CELL SYSTEM USING THEREOF}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캐소드 촉매를 환원시키고 연료 전지의 내부에서 발생한 반응 생성물 또는 미반응물 용이하게 제거할 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치이다. 연료 전지는 외부에서 지속적으로 공급되는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 균일한 냉각을 제공할 할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 스택을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 균일하게 냉각되는 연료 전지 스택을 제공하며, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 균일하게 냉각되는 연료 전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 2개의 세퍼레이터 사이에 배치된 막-전극 어셈블리를 포함하며 연료와 산화제의 산화-환원 반응으로 전기를 생성하는 전기 생성 유닛, 및 상기 전기 생성 유닛과 접하여 배치되어 상기 전기 생성 유닛으로 유입되는 냉각 매체를 분산시키는 조절부재을 포함한다.
상기 2개의 세퍼레이터 중 적어도 하나의 세퍼레이터는 수소 가스를 공급할 수 있으며, 상기 조절부재는 냉각 통로와 인접하게 배치되어 냉각 통로의 입구와 연통될 수 있다.
상기 조절부재는 다공성 세라믹 또는 다공성 폴리머를 포함할 수 있으며, 상기 조절부재는 조절부재는 후층부(厚層部)와 상기 후층부보다 더 작은 두께를 갖는 박층부(薄層部), 및 두께가 변하는 가변부를 포함할 수 있으며, 상기 조절부재는 후층부와 후층부에 대하여 두께가 변화하는 가변부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 조절부재는 다공의 밀도가 높은 고밀도부와 다공의 밀도가 낮은 저밀도부를 포함할 수 있다.
상기 조절부재는 제1 기공을 갖는 소공부과 제2 기공을 갖는 대공부를 포함하고, 상기 제2 기공은 상기 제1 기공에 비하여 직경이 더 크게 형성될 수 있으며, 상기 조절부재는 적층된 복수개의 층을 포함할 수 있다.
상기 층들 중 제일 위에 배치된 층에는 홀이 형성되어 아래에 배치된 층이 노출될 수 있으며, 상기 층들 중 제일 위에 배치된 층에는 홀이 형성되어 두번째로 위에 배치된 층이 노출되고, 두번째로 위에 배치된 층에는 홀이 형성되어 세번째로 위에 배치된 층이 노출될 수 있다.
또한, 상기 홀은 원, 타원 또는 다각형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 단면 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택과 연결된 연료 공급부와, 상기 연료 전지 스택과 연결된 산화제 공급부와, 상기 연료 전지 스택과 인접하도록 배치된 조절부재, 및 상기 연료 전지 스택의 전기 생성 유닛은 세퍼레이터들과 상기 세퍼레이터들 사이에 배치된 막-전극 집합체를 포함한다.
상기 연료 공급부는 연료 탱크와 연료 펌프를 포함할 수 있으며, 상기 산화제 공급부는 펌프를 포함할 수 있다. 또한, 상기 조절부재는 연료 전지 스택 내부에 형성되어 냉각 매체의 이동 통로를 제공하는 냉각 통로로 냉각 매체를 분산할 수 있도록 다공성 소재로 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 스택 내부에는 냉각 매체의 이동 통로를 제공하는 냉각 통로가 형성될 수 있으며, 상기 냉각 통로와 인접하게 설치되어 상기 냉각 통로로 냉각 매체를 유입시키는 팬을 더 포함할 수 있다.
상기 조절부재는 다공성 세라믹 또는 다공성 폴리머를 포함할 수 있으며, 상기 전기 생성 유닛은 연료와 산화제의 산화-환원 반응으로 전기를 생산할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따르면 냉각 통로와 인접하게 다공성 소재로 이루어진 조절부재가 설치되어 냉각 통로로 유입되는 냉각 매체를 균일하게 분산시켜서 공급할 수 있다.
또한, 상대적으로 열이 작게 발생하는 부분에 후층부 또는 저밀도부를 형성하고, 상대적으로 열이 많이 발생하는 부분에 박층부 또는 고밀도부를 형성하여 연료 전지 스택을 균일하게 냉각할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
위에서 설명한 바와 같이, 연료 전지는 외부에서 지속적으로 공급되는 연료(예를들면, 수소 또는 개질 가스)와 산화제(예를들면, 산소 또는 공기)의 전기화학반응으로 전기를 생성한다. 연료 전지는 연료와 산화제를 전기화학반응을 통해서 직접 전기로 변형한다.
연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)를 개질 하여 생성된 수소가 다량 함유된 연료를 사용한다.
연료 전지는 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질가스와 산소를 반응시키는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)와 연료를 직접 산소와 반응시키는 직접 산화형 연료 전지로 구분된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템은 전기를 실질적으로 발생시키기 위한 스택을 구비한다. 이 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 당업계에서 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 칭하는 세퍼레이터(Separator)로 이루어지는 단위의 셀을 수 개 내지 수십 개로 연속 배치한 구조로 이루어진다. 이 때 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 수소와 산소를 MEA로 공급하는 수소통로 및 산소통로를 형성하고 있다.
이러한 연료 전지 시스템은 수소와 산소의 산화 환원 반응에 의하여 소정 온도의 열이 발생하게 되는 바, 스택을 적정한 구동 온도로 유지해야 전해질막의 안정성을 보장하고 성능 저하를 방지하게 된다. 이를 위해 스택은 내부에 쿨링 통로를 구비하고, 이 쿨링 통로를 통하여 저온의 공기 또는 냉각수를 흘려 스택 내부에서 발생되는 열을 냉각시킨다.
그런데 종래의 연료 전지 시스템에 의하면 단위 셀 사이로 공기가 균일하게 공급되지 못하여 스택의 온도가 균일하지 못하게 되는 문제가 있다. 이와 같이 스택의 온도가 균일하지 못하면 일부 스택에서만 열화가 심하게 발생하여 전체적인 출력이 저하되는 문제가 발생한다.
또한, 공기가 균일하게 공급되더라도 스택 내부에서 발생된 열이 균일하지 못하여 스택 내부에 일정한 온도 구배가 발생한다. 즉, 스택의 구조 및 적층 형태에 따라서 중앙 부분에서 더 많은 열이 발생하거나, 일측 방향으로 갈수록 더 많은 열이 발생할 수 있다. 이와 같이 스택 내부에서 온도 구배가 발생하면 상기한 바와 같이 일부 스택에서 열화가 생겨서 연료 전지 시스템의 성능이 저하된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로 이루어진다.
다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수도 있다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 통칭한다.
그리고 본 연료 전지 시스템(100)은 수소와 반응하는 산화제로서 별도의 저장 수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 공기를 사용할 수도 있다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 연료 전지 스택(150)과 연료 전지 스택(150)으로 연료를 공급하는 연료 공급부(110)와, 전기 생성을 위한 산화제를 연료 전지 스택으로 공급하는 산화제 공급부(120)를 포함하여 구성된다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 공급부(110)와 연료 전지 스택(150) 사이에 설치되어 연료를 수소가 풍부한 개질가스로 변환하여 연료 전지스택으로 공급하는 개질기를 더 포함할 수 있다.
연료 공급부(110)는 액상 또는 기상의 연료를 저장하는 연료 탱크(112)와, 연료 탱크(112)에 연결 설치되는 연료 펌프(114)를 포함한다. 상기한 연료 펌프(114)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(112)에 저장된 연료를 연료 탱크(112)의 내부로부터 배출시키는 기능을 갖는다.
산화제 공급부(120)는 연료 전지 스택(150)과 연결 설치되며, 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 연료 전지 스택(150)으로 공급할 수 있는 산화제 펌프를 구비한다. 이 때 연료 전지 스택(150)과 산화제 공급부(120) 사이에는 산화제의 공급량을 조절하는 제어 밸브가 설치될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택의 일부를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 연료 전지 시스템(100)에 적용되는 연료 전지 스택(150)은 연료와 산화제의 산화 환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성 유닛들(10)을 구비한다.
각각의 전기 생성 유닛(10)은 전기를 발생시키는 단위 셀을 의미하며, 연료와 산화제 중의 산소를 산화 환원시키는 막-전극 집합체(Membrane Electrode assembly: MEA)(15) 및, 연료와 산화제를 막-전극 집합체로 공급하기 위한 세퍼레이터(당 업계에서는 바이폴라 플레이트라고도 한다.)(separate)(12, 13)를 포함한다.
전기 생성 유닛(10)은 막-전극 집합체(15)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(12, 13)가 각각 배치된 구조를 갖는다. 막-전극 집합체(15)는 중앙에 배치된 전해질막과 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극과 전해질막의 타측에 배치된 애노드 전극을 포함한다.
애노드 전극은 세퍼레이터(12)를 통해 수소 가스를 공급받는 부분으로, 산화 반응에 의해 수소 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)으로 구성된다. 캐소드 전극은 세퍼레이터(13)을 통해 공기를 공급받는 부분으로, 환원 반응에 의해 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50～200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
전술한 바 있는 세퍼레이터(12, 13)는 막-전극 집합체(15)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가진다. 그리고 세퍼레이터(12, 13)는 막-전극 집합체(15)의 산화 환원 반응에 필요한 연료와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다. 이를 위해, 세퍼레이터(12, 13)의 표면에는 막-전극 집합체(15)의 산화 환원 반응에 필요한 반응 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된다.
본 연료 전지 시스템(100)은 위와 같은 복수의 전기 생성 유닛(10)이 연속적으로 배치됨으로써 연료 전지 스택(150)을 구성하게 된다. 여기서 연료 전지 스 택(150)의 제일 외각에는 연료 전지 스택을 지지하는 엔드 플레이트(27)가 설치된다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용 시, 연료 전지 스택(150)에서는 수소 가스와 산소의 화학적인 반응에 의해 부수적으로 열이 발생하게 된다.
이에 본 실시예는 도 2에 도시된 바와 같이 냉각매체가 통과할 수 있는 냉각 통로(35)가 형성된 유로부재(30)가 전기 생성 유닛(10) 사이에 설치된다. 유로부재(30)는 본 실시예와 같이 각 전기 생성 유닛(10) 사이에 배치될 수 있으며, 2~3개의 군을 이루는 전기 생성 유닛들(10) 사이에 배치될 수도 있다.
유로부재(30)는 유로 채널이 형성된 세퍼레이터(12, 13)의 면과 반대방향을 향하는 면에 밀착 배치된다.
유로부재(30)는 전기 생성 유닛(10)로부터 발생하는 열이 용이하게 전도되도록 열전도성 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 철 소재 등으로 형성될 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았지만 유로부재(30)와 세퍼레이터(12, 13) 사이에는 열이 용이하게 전도되도록 열전도성 접착층 등이 형성될 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 연료 전지 스택의 일부를 도시한 분해 사시도인데, 도 3에 도시된 바와 같이 냉각 통로(18)는 세퍼레이터들(16, 17)의 표면에 형성된 홈들(16a, 17a)의 결합으로 형성될 수 있다. 세퍼레이터(16, 17)에서 막-전극 집합체(15)를 향하는 면과 반대 방향을 향하는 면에 홈(16a, 17a)을 형성하면, 이웃하는 전기 생성 유닛(10)이 서로 맞닿아 배치될 때, 세퍼레이터들(16, 17) 사이에 냉각 통로(18)가 된다.
도 4은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 4을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(150)은 냉각 통로(35)의 일측 단과 연결 설치된 송풍기(23)와 냉각 통로(35)의 타측 단에 연결 설치된 조절부재(40)를 포함한다.
송풍기(23)는 송풍팬(24)을 포함하며 냉각 통로(35)와 인접하게 설치되어 냉각 통로(35)의 출구단과 연통되며 냉각 통로(35)로 냉각 매체를 끌어들이는 역할을 한다.
조절부재(40)는 다공성을 갖는 소재로 이루어지며, 스택의 상단에서 냉각 통로(35)와 인접하게 설치되어 냉각 통로(35)의 입구단과 유체가 통과할 수 있도록 연통된다. 조절부재(40)는 대략 판 형상으로 이루어지는데, 적층된 전기 생성 유닛들(10)과 유로부재들(30)을 전체적으로 덮고 있을 수 있으며 부분적으로 덮고 있을 수도 있다.
조절부재(40)는 부직포, 필터 또는 다공성 폴리머 등 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 상면과 하면이 다공에 의하여 연통된다.
본 실시예에서는 송풍기(23)가 하단에 설치되고, 조절부재(40)가 상단에 설치된 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 송풍기(23)가 상단에 설치될 수도 있다. 또한, 송풍기(23)와 조절부재(40) 모두 냉각 통로의 입구단 측에 설치될 수도 있다.
본 실시예와 같이 다공성을 갖는 조절부재(40)를 냉각 통로(35)의 입구단과 연통되도록 설치하면, 유입되는 냉각 매체를 고르게 분산하여 각 냉각 통로(35)로 분배할 수 있다.
조절부재(40)가 없으면 큰 압력을 받는 곳으로 냉각 매체가 쉽게 유입되지만, 조절부재(40)가 설치되면 송풍기(23)에 의한 가압력이 분산되고, 냉각 매체가 유입될 때, 방해를 받아서 옆으로 퍼지므로 각 냉각 통로(35)로 균일한 양의 냉각 매체가 유입될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 조절부재(40)는 두께가 부분적으로 상이하게 형성되는 바, 조절부재(40)는 후층부(41)와 후층부(41)보다 더 작은 두께를 갖는 박층부(45), 및 후층부(41)와 박층부(45) 사이에 형성되며 두께가 점진적으로 감소하는 가변부(42)를 포함한다.
후층부(41)는 연료 전지 스택(150)의 적층방향으로 양쪽 가장자리에 위치하며, 박층부(45)는 후층부(41) 사이의 중앙에 위치한다. 또한 가변부(42)는 상면이 경사지도록 형성되는 바, 온도의 변화가 상대적으로 큰 부분에 위치하여 냉각 매체의 유입량을 조절한다.
이에 따라 중앙부분에서 상대적으로 열이 많이 발생하는 연료 전지 스택(150)의 경우에, 두께가 작은 박층부(45)로 냉각 매체가 더 용이하게 유입되므로 중앙부분을 안정적으로 냉각시킬 수 있어 연료 전지 스택(150) 전체를 균일한 온도로 냉각할 수 있다.
본 실시예에서는 조절부재의 두께가 부분적으로 상이하도록 형성된 것을 예로서 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 조절부재는 균일한 두께를 갖는 구조로 이루어질 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(50)은 막-전극 집합체(56b)와 막-전극 집합체(56b)의 양면에 배치된 세퍼레이터(56a, 56c)를 포함하는 전기 생성 유닛(56)을 갖고, 전기 생성 유닛(56) 사이에는 냉각 통로가 형성된 유로부재(54)가 배치된다. 전기 생성 유닛(56)의 적층 방향으로 제일 외측에는 엔드 플레이트(51)가 설치된다.
또한, 일측에는 냉각 통로와 연통된 송풍기(53)가 배치되며, 타측에는 냉각 통로와 연통된 조절부재(52)가 배치된다.
조절부재(52)는 다공성을 갖는 소재로 이루어지는 바, 연료 전지 스택(50)의 적층 방향을 따라 점진적으로 두께가 감소하도록 형성된다.
이와 같이 조절부재(52)의 두께가 연료 전지 스택(50)의 적층 방향으로 갈수록 점진적으로 감소하도록 형성하면, 연료 전지 스택(50)의 적층 방향으로 일측 단부의 발열량이 타측 단부의 발열량보다 큰 구조에서 연료 전지 스택(50) 전체를 균일하게 냉각시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 연료 전지 스택(60)은 막-전극 집합체(66b)와 막-전극 집합체(66b)의 양면에 배치된 세퍼레이터(66a, 66c)를 포함하는 전기 생성 유닛(66)을 갖고, 전기 생성 유닛(66) 사이에는 냉각 통로가 형성된 유로부재(64)가 배치된다. 전기 생성 유닛(66)의 적층 방향으로 제일 외측에는 엔드 플레이트(67)가 설치된다.
또한, 일측에는 냉각 통로와 연통된 송풍기(63)가 배치되며, 타측에는 냉각 통로와 연통된 조절부재(62)가 배치된다.
조절부재(62)는 다공성을 갖는 소재로 이루어지는 바, 연료 전지 스택(60)의 적층 방향으로 양측 단부에 형성된 저밀도부(62a)와 저밀도부(62a) 사이에 위치하며 저밀도부(62a) 보다 더 많은 수의 구멍을 갖는 고밀도부(62b)를 포함한다. 고밀도부(62b)에는 저밀도부(62a) 보다 더 많은 수의 구멍이 형성되어 고밀도부(62b)의 개구율은 저밀도부(62a)의 개구율보다 더 크게 된다.
이와 같은 구조의 조절부재(62)는 고밀도부(62b)에서 상대적으로 더 많은 공기를 공급할 수 있다. 중앙 부분에서 더 많은 열이 발생하는 연료 전지 스택(60)의 경우, 고밀도부(62b)를 통해서 더 많은 냉각 매체를 중앙 부분으로 유입시켜서 연료 전지 스택(60)의 온도를 균일하게 유지시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 연료 전지 스택(70)은 막-전극 집합체(76b)와 막-전극 집합체(76b)의 양면에 배치된 세퍼레이터(76a, 76c)를 포함하는 전기 생성 유닛(76)을 갖고, 전기 생성 유닛(76) 사이에는 냉각 통로가 형성된 유로부재(74)가 배치된다. 전기 생성 유닛(76)의 적층 방향으로 제일 외측에는 엔드 플레이트(71)가 설치된다.
또한, 일측에는 냉각 통로와 연통된 송풍기(73)가 배치되며, 타측에는 냉각 통로와 연통된 조절부재(72)가 배치된다.
조절부재(72)는 다공성을 갖는 소재로 이루어지는 바, 연료 전지 스택(70)의 폭 방향 일측 단부에 형성된 후층부(72a)와 폭 방향 타측 단부에 형성되며 후층부(72a)보다 더 작은 두께를 갖는 박층부(72c), 및 후층부(72a)와 박층부(72c) 사이에 위치하며 두께가 변화하는 가변부(72b)를 포함한다.
가변부(72b)는 후층부(72a)와 박층부(72c)를 연결하며, 두께가 선형적으로 변화한다. 이와 같은 구조의 조절부재(72)는 두께가 작은 부분에서 더 많은 공기를 공급할 수 있다. 연료 전지 스택(72)의 구동 시, 연료와 산화제가 유입되는 쪽에서 더 많은 열이 발생하는 바, 본 실시예와 같은 조절부재(72)를 적용하면, 열이 상대적으로 많이 발생하는 유입부쪽의 조절부재(72) 두께를 작게하여 연료 전지 스택을 균일하게 냉각할 수 있다.
도 8는 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 8을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(80)은 막-전극 집합체(86b)와 막-전극 집합체(8b)의 양면에 배치된 세퍼레이터(86a, 86c)를 포함하는 전기 생성 유닛(86)을 갖고, 전기 생성 유닛(86) 사이에는 냉각 통로가 형성된 유로부재(84)가 배치된다. 전기 생성 유닛(86)의 적층 방향으로 제일 외측에는 엔드 플레이트(87)가 설치된다.
또한, 일측에는 냉각 통로와 연통된 송풍기(83)가 배치되며, 타측에는 냉각 통로와 연통되며 다공성을 갖는 소재로 이루어진 조절부재(82)가 배치된다.
조절부재(82)는 연료 전지 스택(80)의 적층 방향으로 양측 단부에 형성된 소공부(small pour part)(82a)와 소공부(82a) 사이에 위치하며 소공부(82a)의 제1 기공 보다 더 큰 직경을 갖는 제2 기공이 형성된 대공부(big pour part)(82b)를 포함 한다.대공부(82b)에는 소공부(82a)의 제1 기공 보다 직경이 더 큰 제2기공이 형성되어 대공부(82b)의 개구율은 소공부(82a)의 개구율보다 더 크게 된다.
이와 같은 구조의 조절부재(82)는 대공부(82b)에서 상대적으로 더 많은 공기를 공급할 수 있다. 중앙 부분에서 더 많은 열이 발생하는 연료 전지 스택(80)의 경우, 대공부(82b)를 통해서 중앙 부분에 더 많은 냉각 매체를 유입시켜서 연료 전지 스택의 전체적인 온도를 균일하게 유지시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(90)은 막-전극 집합체(96b)와 막-전극 집합체(96b)의 양면에 배치된 세퍼레이터(96a, 96c)를 포함하는 전기 생성 유닛(96)을 갖고, 전기 생성 유닛(96) 사이에는 냉각 통로가 형성된 유로부재(94)가 배치된다. 전기 생성 유닛(96)의 적층 방향으로 제일 외측에는 엔드 플레이트(91)가 설치된다.
또한, 일측에는 냉각 통로와 연통된 송풍기(93)가 배치되며, 타측에는 냉각 통로와 연통되며 다공성을 갖는 소재로 이루어진 조절부재(92)가 배치된다.
조절부재(92)는 적층된 복수 개의 층(92a, 92b, 92c)을 포함하는데, 연료 전지 스택(90)의 중앙에서 외측으로 갈수록 적층된 층(92a, 92b, 92c)의 수가 증가하는 계단식으로 이루어진다.
보다 구체적으로 살펴보면, 제일 위에 위치하는 제1 층(92a)의 중앙에는 제1 홀(92e)이 형성되어 제1 층(92a)의 아래에 위치하는 제2 층(92b)이 노출되며, 제2 층(92b)의 중앙에는 제2 홀(92d)이 형성되어 제일 아래에 위치하는 제3 층(92c)이 노출된다. 제1 홀(92e), 및 제2 홀(92d)은 대략 직사각형으로 이루어지며, 제2 홀(92d)은 제1 홀(92e)보다 더 작게 형성된다. 이에 따라 제2 층(92b)이 부분적으로 노출됨으로써 계단식으로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서는 홀들(92d, 92e)이 직사각형으로 이루어진 것으로 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 홀들(92d, 92e)은 원형, 타원형, 다각형 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
본 실시예와 같이 연료 전지 스택(90)의 중앙 부분에서 외측으로 갈수록 적층된 층(92a, 92b, 92c)의 수가 증가하면, 외측에서 중앙으로 갈수록 더 많은 공기를 공급할 수 있다. 따라서 중앙에서 상대적으로 더 많은 열이 발생하는 연료 전지 스택(90)의 경우, 작은 수의 층이 적층된 부분을 통해서 더 많은 냉각 매체를 유입시킴으로써 연료 전지 스택(90)의 전체적인 온도를 균일하게 유지시킬 수 있다.
도 10a는 종래의 연료 전지 스택의 온도를 측정한 그래프이며, 도 10b는 다공성을 갖는 조절부재를 설치한 연료 전지 스택의 온도를 측정한 그래프이다.
연료 전지는 출력이 500W급으로서, 15A의 전류를 , 각 전기 생성 유닛은 약 0.7V의 전압을 갖고 공랭식의 고분자 전해질형 연료 전지가 적용되었다.
도 10a 및 도 10b에서 다수의 막대 그래프 군은 하나의 전기 생성 유닛을 의미하고, 하나의 군을 이루는 다수의 막대 그래프는 전기 생성 유닛의 폭방향으로 측정한 온도를 나타낸다.
막대 그래프 군은 도 4에서 앞쪽에 위치한 전기 생성 유닛부터 일정한 간격 으로 배치된 전기 생성 유닛의 온도를 측정하여 맨 뒤쪽에 위치한 전기 생성 유닛까지의 온도를 나타낸다. 모든 전기 생성 유닛의 온도를 측정한 것은 아니고, 일정 간격으로 선택적으로 측정하였다.
흰색 막대 그래프는 1시간 가동 후의 온도를 나타내며, 빗금친 막대 그래프는 10시간 가동 후의 온도를 나타낸다.
도 10a에 도시된 바와 같이 종래의 연료 전지 스택은 뒤쪽으로 갈수록 온도가 증가하고, 대부분의 전기 생성 유닛의 최고 온도가 60℃ 보다 더 크며, 폭방향의 온도 편차가 큰 것을 알 수 있다.
그러나 도 10b를 살펴보면, 대부분 셀의 최고 온도가 60℃ 보다 더 작고, 폭방향의 온도 편차도 작은 것을 알 수 있다.
도 10a 및 도 10b에 나타난 바와 같이 다공성의 조절부재를 설치하면 종래에 비하여 전기 생성 유닛들을 균일하게 냉각시킬 수 있으며, 이에 따라 연료 전지 스택의 열화를 방지함으로써 수명이 향상되고, 큰 출력을 얻을 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택의 일부를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예의 변형에 따른 연료 전지 스택의 일부를 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 10a는 종래의 연료 전지 스택의 온도를 측정한 그래프이며, 도 10b는 다공성을 갖는 조절부재를 설치한 연료 전지 스택의 온도를 측정한 그래프이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
100: 연료 전지 시스템 150: 연료 전지 스택
110: 연료 공급부 120: 산화제 공급부
10: 전기 생성 유닛 12, 13: 세퍼레이터
15: 막-전극 집합체 23: 송풍
27: 엔드 플레이트 30: 유로부재
35: 냉각 통로 40: 조절부재
41: 후층부 42: 가변부
45: 박층부 62a: 저밀도부
62b: 고밀도부 82a: 소공부
82b: 대공부

Claims (19)

  1. 2개의 세퍼레이터 사이에 배치된 막-전극 어셈블리를 포함하며 연료와 산화제의 산화-환원 반응으로 전기를 생성하는 전기 생성 유닛; 및
    상기 전기 생성 유닛과 접하여 배치되어 상기 전기 생성 유닛으로 유입되는 냉각 매체를 분산시키는 조절부재;
    를 포함하는 연료 전지 스택.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 2개의 세퍼레이터 중 적어도 하나의 세퍼레이터는 수소 가스를 공급하는 연료 전지 스택.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 조절부재는 냉각 통로와 인접하게 배치되어 냉각 통로의 입구와 연통된 연료 전지 스택.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 조절부재는 다공성 세라믹 또는 다공성 폴리머를 포함하는 연료 전지 스택.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 조절부재는 조절부재는 후층부(厚層部)와 상기 후층부보다 더 작은 두께를 갖는 박층부(薄層部), 및 두께가 변하는 가변부를 포함하는 연료 전지 스택.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 조절부재는 후층부와 후층부에 대하여 두께가 변하는 가변부를 포함하는 연료 전지 스택.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 조절부재는 다공의 밀도가 높은 고밀도부와 다공의 밀도가 낮은 저밀도부를 포함하는 연료 전지 스택.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 조절부재는 제1 기공을 갖는 소공부과 제2 기공을 갖는 대공부를 포함하고, 상기 제2 기공은 상기 제1 기공에 비하여 직경이 더 큰 연료 전지 스택.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 조절부재는 적층된 복수개의 층을 포함하는 연료 전지 스택.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 층들 중 제일 위에 배치된 층에는 홀이 형성되어 아래에 배치된 층이 노출되는 연료 전지 스택.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 층들 중 제일 위에 배치된 층에는 홀이 형성되어 두번째로 위에 배치된 층이 노출되고, 두번째로 위에 배치된 층에는 홀이 형성되어 세번째로 위에 배치된 층이 노출된 연료 전지 스택.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 홀은 원, 타원 또는 다각형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 단면 형상을 갖는 연료 전지 스택.
  13. 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택과 연결된 연료 공급부;
    상기 연료 전지 스택과 연결된 산화제 공급부;
    상기 연료 전지 스택과 인접하도록 배치된 조절부재; 및
    상기 연료 전지 스택의 전기 생성 유닛은 세퍼레이터들과 상기 세퍼레이터들 사이에 배치된 막-전극 집합체를 포함하는 연료 전지 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는 연료 탱크와 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 산화제 공급부는 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 조절부재는 연료 전지 스택 내부에 형성되어 냉각 매체의 이동 통로를 제공하는 냉각 통로로 냉각 매체를 분산할 수 있도록 다공성 소재로 이루어진 연료 전지 시스템.
  17. 제13 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택 내부에는 냉각 매체의 이동 통로를 제공하는 냉각 통로가 형성되고,
    상기 냉각 통로와 인접하게 설치되어 상기 냉각 통로로 냉각 매체를 유입시키는 팬을 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  18. 제13 항에 있어서,
    상기 조절부재는 다공성 세라믹 또는 다공성 폴리머를 포함하는 연료 전지 시스템.
  19. 제13 항에 있어서,
    상기 전기 생성 유닛은 연료와 산화제의 산화-환원 반응으로 전기를 생산하는 연료 전지 시스템.
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