KR20110123561A - 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 막전극접합체(MEA)와 분리판으로 이루어진 연료전지 셀 어셈블리, 상기 연료전지 셀 어셈블리의 외측면에 마련되는 집전체, 상기 집전체의 외측면에 마련되는 절연체 및 상기 절연체의 외측면에 마련되며 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구와 냉각수가 배출되는 냉각수 유출구가 마련된 엔드 플레이트를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지 스택은 스택 내부셀과 외부셀 간의 온도편차를 줄여 스택의 성능향상을 꾀할 수 있다.

Description

연료전지 스택{Stack of fuel cell}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 자세하게는 스택 내부셀과 외부셀 간의 온도편차를 줄여 연료전지의 성능향상을 꾀할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
화석에너지의 무분별한 사용에 따른 지구온난화 등의 환경문제 및 자원고갈에 대한 대안으로 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있다.
연료전지(Fuel cell)는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 일종의 발전 시스템으로 직접 전기를 생산하는 연료전지 스택(Stack)과 스택의 기능 구현을 위한 다양한 주변기기 시스템으로 구성된다.
연료전지는 전해질 종류에 따라 용융탄산염형(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), 고체고분자형(PEFC: Polymer Electrolyte Fule Cell), 직접메탄올형(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 구분된다.
일례로, 고체고분자형(고분자전해질) 연료전지(PEFC)는 가정용, 자동차용,이동용 전원으로 개발되고 있으며 최근 실용화 및 상용화가 빠르게 진척되고 있다.
연료전지의 스택은 수소와 산소가 반응하여 전기화학반응을 일으켜 전기를 생산하며, 생성물로 물과 열이 발생한다.
스택은 단위셀들을 적층하여 일정 하중을 가해 체결한다. 적층하는 단위셀의 수량 및 가압 하중 등에 의해 스택의 파워가 결정된다.
일반적으로 스택을 체결할 경우 단위셀(MEA, 분리판)과 전류를 모으는 집전체, 스택 체결하중을 지지하는 엔드 플레이트 등으로 구성된다.
스택 내부에서 발생하는 열은 스택 내부를 통과하는 냉각수에 의해 스택 외부로 방출되는데, 스택 체결방법, 적층된 단위셀의 수, 체결 구조 등에 의해 스택 내부셀(중앙부)와 스택 외부셀(양끝단의 셀, 스택 외곽 셀) 간에 온도편차가 발생한다.
이는 스택 내부의 열 회수시 열 회수율의 저하를 가져오며, 스택 내부의 셀와 외부 셀의 온도편차로 인해 스택의 성능편차 및 성능저하가 발생하는 요인이 되고 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 스택 내부셀과 외부셀 간의 온도편차를 줄여 스택의 성능향상을 꾀할 수 있는 연료전지 스택을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 막전극접합체(MEA)와 분리판으로 이루어진 연료전지 셀 어셈블리; 상기 연료전지 셀 어셈블리의 외측면에 마련되는 집전체; 상기 집전체의 외측면에 마련되는 절연체; 및 상기 절연체의 외측면에 마련되며 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구와 냉각수가 배출되는 냉각수 유출구가 마련된 엔드 플레이트를 포함하는 연료전지 스택에 의해 달성된다.
일 실시예로, 상기 엔드 플레이트는 상기 절연체의 외측면에 접하는 서브 플레이트와 상기 서브 플레이트의 외측면에 접하는 메인 플레이트를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 서브 플레이트는 일측에 마련된 냉각수 입구와 상기 냉각수 입구로 유입된 냉각수가 상기 서브 플레이트의 내부를 통과하여 흐르도록 마련된 냉각유로 및 상기 서브 플레이트의 타측에 마련된 냉각수 출구가 마련될 수 있다.
일 실시예로, 상기 분리판은 일측에 마련된 냉각수 입구와 상기 냉각수 입구로 유입된 냉각수가 상기 분리판의 내부를 통과하여 흐르도록 마련된 냉각유로 및 상기 분리판의 타측에 마련된 냉각수 출구가 마련될 수 있다.
일 실시예로, 상기 냉각수 입구, 냉각 유로 및 냉각수 출구가 마련된 분리판은 상기 연료전지 셀 어셈블리의 최외곽에 존재하는 분리판일 수 있다.
일 실시예로, 상기 절연체는 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 고무 또는 종이 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명은 스택 내부셀과 외부셀 간의 온도편차를 줄여 스택의 성능향상을 꾀할 수 있으며, 스택 외부셀의 온도를 일정수준으로 유지시켜 수분이 응축되는 현상을 방지하고 연료전시 스택의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 개략적 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 플레이트의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 플레이트의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 일부 분해 사시도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 개략적 구성도이다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 엔드 플레이트(100), 절연체(200), 집전체(300) 및 연료전지 셀 어셈블리(400)를 포함할 수 있다.
엔드 플레이트(100)는 연료전지 스택의 양 단부에 배치되며, 연료전지 셀 어셈블리(400)의 냉각을 위한 냉각수 유입구(102)와 냉각수 유출구(104)가 마련되어 있다.
한편, 연료가스(수소)를 공급하는 연료가스 유입구(106)와 연료가스 유출구(108), 공기가 유입되는 공기 유입구(110) 및 공기 유출구(112)가 마련될 수 있다.
일측의 엔드 플레이트(100)로부터 유입된 냉각수, 연료가스 및 공기는 연료전지 셀 어셈블리(400)에 공급되고, 연료전지 셀 어셈블리(400)를 통과한 냉각수, 연료가스 및 공기의 전부 또는 일부는 상기 일측의 엔드 플레이트(100)로 다시 배출된다.
따라서, 냉가수, 연료가스 및 공기의 공급 및 배출을 위한 각 유입구 및 유출구(102, 104, 106, 108, 110, 112)에는 외부의 공급계와 배기계로의 연결을 위한 피팅부(미도시)가 마련될 수 있으며, 피팅부의 기밀을 위해 오링이 구비될 수 있다.
상기 엔드 플레이트(100)는 금속재질, 플락스틱 또는 그라파이트(graphite) 등으로 제조될 수 있으며, 표면에 절연피복층이 구비될 수 있다.
연료전지 스택에서는 통상 가운데 셀의 온도가 가장 높고 바깥쪽으로 갈수록 온도가 낮아지는 특성을 보인다.
이와 같이 스택 내부(중앙)에 위치한 셀과 외부(외곽)에 위치한 셀의 온도편차가 발생하면 스택의 각 셀의 성능편차 및 성능저하를 가져온다. 또한, 냉각수에 의해 열회수율의 저하가 발생한다.
이를 방지하기 위해 엔드 플레이트(100)와 집전체(300) 사이에 절연체(200)가 존재할 수 있다.
절연체(200)의 재질에는 제한이 없는데, 예를 들어 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 고무, 종이 등의 절연성 물질을 적어도 하나 이상 포함할 수 있으며, 시트 형태의 절연체일 수 있다.
집전체(300)는 전기전도성이 좋아야 하므로 구리, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 황동 등을 사용할 수 있고 표면에 금, 은, 구리, TiN 등을 코팅하여 사용할 수 있다.
연료전지 셀 어셈블리(400)는 anode(연료극 또는 산화전극)와 cathode(공기극 또는 환원전극)의 두 전극을 전해질막에 부착시킨 막전극접찹체(MEA: Membrane Electrode Assembly)와 분리판(bipolar plate)이 반복하여 적층되어 있는 구조를 취할 수 있다.
전해질막은 H+를 전달하는 고분자 이온교환막을 사용할 수 있으며, anode와 cathode 사이에서 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할도 한다.
전극(anode, cathode)은 촉매층과 촉매층을 지지해 주는 지지체로 구성될 수 있다.
지지체로는 다공성 탄소지(carbon paper)나 탄소천(carbon cloth)를 사용할 수 있으나 그 제한이 있는 것은 아니다.
지지체는 촉매층을 지지해 주는 역할 외에도 반응기체를 촉매층으로 확산시켜주는 기체확산층(gas diffusion layer) 역할, 촉매층에서 발생한 전류를 분리판으로 이동시켜주는 역할 등을 수행한다.
촉매물질로는 백금(Pt), Pt/C, Pt-껴 Pt-Sn, Pt-Pd 등의 합금촉매, Pb, 껴 Bi, Sn, Mo 등과 같은 금속물질에 Pt를 코팅하여 사용할 수도 있으나 그 제한이 있는 것은 아니다.
분리판은 한쪽 면에는 anode용 가스유로가, 다른 쪽 면에는 cathode용 가스유로가 형성된 전기전도성 판으로서, anode에서 생성된 전자를 다음 셀의 cathode 쪽으로 전도해주는 집전판의 역할을 하며, MEA를 지지해주고, anode 및 cathode 쪽으로 가각 연료와 산화제를 공급해주는 통로를 제공함과 동시에 전지운전 중에 생기는 물을 제거해주는 통로 역할을 한다.
상기 분리판 재료로는 그라파이트(graphite)류, 카본-카본, 카본-폴리머, 메탈-폴리머 등의 복합소재(composite), 스테인레스 스틸, 니켈, 티타늄, 알루미늄, 비정질 얼로이 등의 금속소재 등이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 플레이트의 사시도이며, 도 3은 도2의 서브 플레이트를 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 플레이트(100)는 메인 플레이트(100a)와 서브 플레이트(100b)로 구성될 수 있다.
서브 플레이트(100b)는 일측에 마련된 냉각수 입구(120)와 냉각수 입구로 유입된 냉각수가 상기 서브 플레이트의 내부를 통과하여 흐르도록 마련된 냉각유로(124) 및 서브 플레이트(100b)의 타측에 마련된 냉각수 출구(122)가 마련될 수 있다.
메인 플레이트의 냉각수 유입구(102)로 유입된 냉각수는 서브 플레이트의 냉각수 입구(120)를 통해 일부는 연료전지 셀 어셈블리(400)로 향하고 일부는 서브 플레이트의 냉각 유로(124)를 거친 후 서브 플레이트의 냉각수 출구(122)를 거쳐 메인 플레이트의 냉각수 유출구(104)로 유출되게 된다.
연료전지 스택의 운전 초기에는 스택의 온도가 상온이므로 스택의 적정운전온도(50~80도)까지 빠르게 스택온도를 올려야 한다.
따라서, 스택의 운전 초기에 냉각수는 스택의 내부온도를 올리는 역할이 주로 수행한다.
스택이 스택운전온도까지 올라가면, 스택 내부에서 발생하는 열을 냉각수가 열교환하여 일정온도로 유지하는 역할을 한다.
이때, 스택은 스택 내부의 온도(50-80도)와 대기에(상온)접촉하는 엔드 플레이트와 온도 구배가 발생하며, 연료와 공기가 공급되는 공급부가 위치한 엔드 플레이트 부분에 가습된 연료/공기가 응축되기 쉽다.
이는 가습된 연료/공기는 스택 운전온도와 유사한 온도이고, 상대습도(RH)가 100%에 가깝기 때문에 상대적으로 온도가 낮은 엔드 플레이트의 공급부와 접촉하여 열손실이 발생하고, 따라서 수분이 응축될 가능성이 높다.
이 응축된 수분은 스택 내의 공급단쪽에 위치한 셀의 매니폴드로 유입되어 연료/공기의 원할한 공급을 방해하며, 공급단 쪽에 위치하는 셀들의 내부 채널을 막아 전압강하 현상을 발생시킬 수 있다.
따라서, 스택의 운전온도가 정상상태일 경우, 절연체(200)는 스택 내부에서 외부로 열확산/전도를 방지 하며, 서브 플레이트 내의 냉각유로(124)는 스택의 운전온도와 유사하기 때문에, 가습된 연료/공기의 수분응축을 방지하는 역할을 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 일부 분해 사시도로서, 설명의 편의를 위해 엔드 플레이트와 분리판만을 도시한 것이다.
즉, 도 4의 분리판(500)을 포함하여 분리판(500)과 분리판(500) 사이에는 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 셀 어셈블리(400)가 설치되어 있으나 이를 생략하였으며, 절연체, 집전체도 생략하여 도시하였다.
도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판은 스택 내부에서 발생한 열을 회수하기 위한 냉각유로를 구비할 수 있다.
즉, 분리판의 일측에 마련된 냉각수 입구(502)와 냉각수 입구로 유입된 냉각수가 분리판(500)의 내부를 통과하여 흐르도록 마련된 냉각유로(504) 및 분리판의 타측에 마련된 냉각수 출구(도시하지 않음)가 마련될 수 있다.
연료전지 셀 어셈블리(400)의 최외곽 분리판에만 냉각유로가 형성될 수도 있고 모든 분리판에 냉각유로가 형성될 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 스택 내부셀과 외부셀 간의 온도편차를 줄여 스택의 성능향상을 꾀할 수 있으며, 스택 외부셀의 온도를 일정수준으로 유지시켜 수분이 응축되는 현상을 방지하고 연료전시 스택의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100 : 엔트 플레이트 100a : 메인 플레이트
100b : 서브 플레이트 102 : 냉각수 유입구
104 : 냉각수 유출구 200 : 절연체
300 : 집전체 400 : 연료전지 셀 어셈블리

Claims (6)

  1. 막전극접합체(MEA)와 분리판으로 이루어진 연료전지 셀 어셈블리;
    상기 연료전지 셀 어셈블리의 외측면에 마련되는 집전체;
    상기 집전체의 외측면에 마련되는 절연체; 및
    상기 절연체의 외측면에 마련되며 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구와 냉각수가 배출되는 냉각수 유출구가 마련된 엔드 플레이트
    를 포함하는 연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트는 상기 절연체의 외측면에 접하는 서브 플레이트와 상기 서브 플레이트의 외측면에 접하는 메인 플레이트를 포함하는 연료전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 서브 플레이트는 일측에 마련된 냉각수 입구와 상기 냉각수 입구로 유입된 냉각수가 상기 서브 플레이트의 내부를 통과하여 흐르도록 마련된 냉각유로 및 상기 서브 플레이트의 타측에 마련된 냉각수 출구가 마련된 연료전지 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분리판은 일측에 마련된 냉각수 입구와 상기 냉각수 입구로 유입된 냉각수가 상기 분리판의 내부를 통과하여 흐르도록 마련된 냉각유로 및 상기 분리판의 타측에 마련된 냉각수 출구가 마련된 연료전지 스택.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각수 입구, 냉각 유로 및 냉각수 출구가 마련된 분리판은 상기 연료전지 셀 어셈블리의 최외곽에 존재하는 분리판인 연료전지 스택.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연체는 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 고무 또는 종이 중 어느 하나 이상을 포함하는 연료전지 스택.





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