KR20130081477A - 생성수 배출 기능을 향상시킨 연료전지 스택 및 그 운전방법 - Google Patents

생성수 배출 기능을 향상시킨 연료전지 스택 및 그 운전방법 Download PDF

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Abstract

연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택 내부에 발생하는 생성수를 원활하게 배출할 수 있도록 한 연료전지 스택에 관하여 개시한다.
본 발명은 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되어, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체; 상기 전해질막에 반응가스를 공급하는 공급 매니폴드; 상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드; 및 상기 공급 매니폴드와 상기 배출 매니폴드를 연결하는 바이패스 유로;를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.

Description

생성수 배출 기능을 향상시킨 연료전지 스택 및 그 운전방법{FUEL CELL HAVING ENHANCED FORMATION WATER DISCHARGING AND IT'S OPERATION METHOD}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택 내부에 발생하는 생성수를 원활하게 배출할 수 있도록 한 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 기존의 발전방식과 비교할 때 발전 효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전 기술로 평가 받고 있으며 다양한 연료를 사용할 수 있어 미래의 전지로 각광받고 있다.
이와 같은 연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스로부터 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공기중의 산소가 사용된다.
이러한 연료전지의 개발에 따라 에너지 절약과 환경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위하여 내연기관을 대체하기 위한 동력 시스템이 개발되고 있다.
연료전지 내부의 생성수 배출은 잔류가스의 유속에 의하여 이루어지는데, 연료전지 스택이 기울어지는 경우 또는 잔류가스의 유속이 충분히 높지 않은 경우에는 생성수가 스택 외부로 원활하게 배출되지 못한다.
특히, 잔류가스의 유속이 충분하지 않을 경우, 연료전지 스택이 기울어지게 되면, 가장 저점에 위치한 셀 주변에 생성수가 쌓이게 되며, 이로 인해 셀의 성능 저하가 발생하게 된다.
관련선행기술로는 일본특허출원번호 2007-159732호(출원일 2007년 6월 18일) '연료전지 시스템'이 있다.
본 발명은 연료전지 스택이 기울어지더라도 생성수가 원활하게 배출될 수 있는 연료전지 스택을 제공함에 있다.
본 발명은 반응가스를 이용하여 별도의 제어장치 등의 부가 없이 생성수를 원활하게 배출할 수 있도록 함으로써, 생성수 적체에 따른 연료전지 스택의 성능 저하를 방지하기 위한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되어, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체; 상기 전해질막에 반응가스를 공급하는 공급 매니폴드(manifold); 상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드; 및 상기 공급 매니폴드와 상기 배출 매니폴드를 연결하는 바이패스(bypass) 유로;를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.
이 때, 상기 바이패스 유로를 통과하는 반응가스는 전기화학반응을 하지 않는다.
그리고, 상기 바이패스 유로는 배출 매니폴드의 상류측에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 바이패스 유로는 상기 단위전지 적층체의 외부에 형성되거나, 상기 단위전지 적층체와 일체로 형성될 수 있다.
상기 바이패스 유로가 상기 단위전지 적층체의 외부에 형성될 경우, 상기 단위전지 적층체의 양면에 구비되는 압축판의 내부에 형성될 수 있으며, 상기 단위전지 적층체의 양면에 구비되는 압축판을 관통하여 외부에 별도로 형성될 수도 있다.
상기 바이패스 유로가 상기 단위전지 적층체와 일체로 형성되는 경우, 상기 분리판과 동일한 매니폴드홀(manifold hole)을 구비하는 도체판과; 상기 도체판의 양면에 구비되는 가스확산층;을 포함하는 더미셀(dummy cell)을 이용할 수 있다.
상기 더미셀은 1개 또는 복수개가 단위전지 적층체와 함께 적층될 수 있으며,상기 더미셀은 단위전지 적층체의 단부에 적층되거나, 또는 단위전지 적층체의 중간에 적층될 수도 있다.
상기 도체판은 가스를 투과하지 않는 금속 박판 재질인 것이 바람직하며, 상기 도체판은 금, 팔라듐, 질화크롬, 질화티타늄 중 어느 하나의 물질로 코팅되면 더욱 바람직하다.
그리고 본 발명은, 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되어, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체와, 상기 전해질막에 반응가스를 공급하는 공급 매니폴드와, 상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드와, 상기 공급 매니폴드와 상기 배출 매니폴드를 연결하는 바이패스 유로를 포함하는 연료전지 스택 운전방법에 있어서, 상기 공급 매니폴드를 통해 공급되는 반응가스의 유량이 상기 막전극접합체에 반응에 필요한 이론적 유량의 100% 초과하도록 공급하고, 상기 이론적 유량 초과분의 반응가스는 상기 바이패스 유로를 통해 전기화학적 반응을 하지 않고, 상기 배출 매니폴드를 통과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 운전방법을 제공한다.
본 발명은 배출 매니폴드의 가스 유량을 증가시켜 생성수 배출을 원활하게 함으로써, 생성수 적체에 따른 연료전지 스택 성능의 저하를 방지하는 효과를 가져온다.
또한, 본 발명은 운송용 수단에 탑재되어 수시로 기울어짐을 겪게 되는 연료전지 스택이 기울어지더라도 원활하게 생성수를 배출할 수 있도록 하는 효과를 가져온다.
도 1은 연료전지 스택 기울임시 생성수 적체 문제를 도시한 개념도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택의 더미셀을 나타낸 분리사시도,
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택의 더미셀이 단위전지셀과 함께 적층된 상태를 나타낸 단면도임.
이하 본 발명에 따른 생성수 배출 기능을 향상시킨 연료전지 스택 및 그 운전방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
도 1은 연료전지 스택 기울임시 생성수 적체 문제를 도시한 개념도이다.
도시된 바와 같이, 연료전지 스택(100)은 분리판과 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되는 단위전지 적층체(110)와, 상기 단위전지 적층체(110)의 양면에 체결되어 체결압력을 제공하는 압축판(120, 130)을 포함한다.
일측의 압축판(130)은 공급 매니폴드(112)와 연결되는 유입구(132)와, 배출 매니폴드(114)와 연결되는 배출구(134)를 구비하며, 타측 압축판(120)은 매니폴드와 연결되지 않는다.
따라서, 반응가스는 공급 매니폴드(112)로 유입된 후, 단위전지 적층체(110)를 통과하며 전기화학 반응을 일으킨 후, 배출 매니폴드(114)로 배출된다.
단위전지 적층체(110)는 반응가스를 공급받는 공급 매니폴드(112)와, 전해질막에서 배출되는 잔류가스(residual gas)가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드(114)를 구비한다. 여기서 잔류가스는 막전극접합체에서 반응 후 남은 가스를 의미한다.
반응가스로는 연료가스와 산화가스가 공급되는데, 연료가스로는 수소를 포함하는 개질가스가 사용될 수 있으며, 산화가스로는 산소 또는 산소를 포함하는 공기가 사용될 수 있다.
배출 매니폴드(114)를 통해서 전기화학 반응의 결과물로 발생한 생성수와 잔류가스가 배출된다. 이 때 생성수의 배출 유량은 생성수와 함께 흘러 나가는 잔류가스의 유량에 비례하게 된다.
그런데, 도시된 바와 같이 배출 매니폴드(114)의 상류측(이하에서 상류측이라 함은 배출 매니폴드의 가스 흐름 방향의 상류를 의미한다.)이 하방으로 기울어진 경우에는 생성수가 원활하게 배출되지 못하고, 배출 매니폴드(114)의 상류측에 적체되는 현상이 발생하게 된다.
배출 매니폴드(114) 내부에 고인 적체된 생성수(150)는, 반응 가스 흐름에 지장을 주게 되며, 셀의 성능 저하로 이어지게 된다.
이러한 문제는 운전조건에 따라 필연적으로 기울어짐을 겪게 되는 차량이나 선박과 같은 운송수단에 탑재되는 연료전지의 경우 큰 문제가 된다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기울어짐시에도 생성수가 적체되지 않고 원활하게 배출될 수 있도록 하기 위한 것으로, 특히 별도의 장치를 부가하지 않고 반응가스를 이용하여 생성수 배출을 원활하게 하는 것에 특징이 있다. 생성수의 배출량은 생성수와 함께 배출되는 가스의 유량에 비례하게 된다. 본 발명은 생성수와 함께 배출되는 가스의 유량을 증가시킴으로써 생성수 배출기능을 향상시킨다.
이를 위하여, 본 발명은 공급 매니폴드로 유입된 가스 중 일부가 전기화학적 반응을 하지 않고 직접 배출 매니폴드로 유출될 수 있는 바이패스(bypass) 유로를 구비한다.
바이패스 유로는 크게 2가지 형태로 구분할 수 있다.
첫번째는 단위전지 적층체 외부에 형성되는 익스터널 바이패스(external bypass) 형태이고, 두번째는 단위전지 적층체의 내부에 형성되는 인터널 바이패스(internal bypass) 형태이다.
익스터널 바이스패스는 다시 압축판 내부에 형성되는 형태(도 2의 제 1 실시예)와, 압축판과 별도의 배관으로 형성되는 형태(도 3의 제 2 실시예)가 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도이다.
제 1 실시예와 제 2 실시예는 바이패스 유로를 단위전지 적층체의 외부에 형성한 익스터널 바이패스 형태를 나타낸 것이다. 도면에서 바이패스되는 반응가스는 점선으로 표시하였다.
먼저 도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지 스택(200)은 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되며, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체(210)와, 상기 단위전지 적층체(210)의 양측면을 가압하는 압축판(220, 230)을 포함한다.
상기 단위전지 적층체(210)는 상부에 전해질막에 반응가스를 공급하기 위한 공급 매니폴드(212)를 구비하며, 하부에 상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스(residual gas)가 취합하여 배출하기 위한 배출 매니폴드(214)를 구비한다.
일측의 압축판(230)은 공급 매니폴드(212)와 연결되는 유입구(232)와, 배출 매니폴드(214)와 연결되는 배출구(234)를 구비하고,
타측의 압축판(220)은 그 내부에 공급 매니폴드(212)와 배출 매니폴드(214)를 연결하여 반응가스가 통과할 수 있도록 하는 바이패스 유로(225)를 구비한다.
제1 실시예는 바이패스 유로(225)가 앤드플레이트(220) 내부에 형성됨으로써, 외관상 크기의 변화가 없는 장점을 가진다. 또한, 바이패스 유로(225)의 단면적을 조절하여 바이패스 유로(225)를 통해 배출 매니폴드(214)로 공급되어 생성수 배출에 도움을 주는 반응가스의 유량을 조절할 수 있는 장점을 가진다.
제2 실시예는 바이패스 유로(225)를 앤드플레이트(220)를 관통하는 별도의 바이패스배관(227)으로 형성한 것으로, 앤드플레이트 내부에 유로를 형성해야하는 제1실시예에 비하여 앤드플레이트(220)의 제조가 용이한 장점을 가지며, 바이패스배관(227)의 단면적을 조절하여 배출 매니폴드(214)로 바이패스되는 반응가스의 유량을 조절할 수 있다.
바이패스 유로(225)로 공급되는 반응가스는 수소와 같은 연료가스일 수도 있으며, 산소나 공기와 같은 산화가스일 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택(300)은 단위전지 적층체의 내부에 단위전지 적층체와 일체로 더미셀(360)을 적층하여, 상기 더미셀(dummy cell, 360)을 통해 반응가스가 전기화학 반응을 거치지 않고 흐르는 바이패스 유로를 형성한 것이다.
여기서 더미셀(360)이라 함은 반응가스인 연료가스와 산화가스가 전기화학적 반응 하지 않고, 단순히 통과하는 셀을 의미한다. 즉, 더미셀(360)은 막전극접합체를 구비하지 않으며, 단순히 반응가스가 통과할 수 있는 경로만을 제공한다. 더미셀을 통과하는 반응가스는 연료가스 또는 산화가스 중의 하나이거나, 둘 다 일 수 있다. 연료가스와 산화가스가 모두 더미셀을 통과하는 경우에도 연료가스와 산화가스는 독립된 경로를 가지도록 하여, 이들이 혼합되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
더미셀(360)은 단위전지셀의 분리판의 공급 매니폴드홀과 소통하는 공급 매니폴드홀과, 분리판의 배출 매니폴드홀과 소통하는 배출 매니폴드홀을 구비한다. 이는 더미셀(360)이 단위전지 적층체(310)의 중간에 설치될 경우 더미셀(360)로 인하여 반응가스의 흐름에 지장을 주지 않기 위해서이다.
더미셀(360)은 막전극접합체를 구비하지 않음으로써, 더미셀(360)을 통해 이동하는 반응가스는 전기화학반응을 거치지 않고 배출 매니폴드로 그대로 이동하게 되며, 더미셀(360)을 통해 이동한 반응가스가 단위전지셀에서 전기화학 반응의 결과물로 발생하는 생성수 배출에 도움을 주게 된다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택의 더미셀을 나타낸 분리사시도이고, 도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택의 더미셀이 단위전지셀과 함께 적층된 상태를 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이, 더미셀(360)은 상부에 공급 매니폴드부(362a)과, 하부에 배출 매니폴드부(362b)를 구비하는 도체판(362)과, 상기 도체판(362)의 양면에 적층되는 가스확산층(364)을 포함한다. 가스확산층(364)은 반응가스가 투과될수 있는 재질로 형성된다.
도체판(362)은 전기전도성을 가지되, 가스는 투과시키지 않으며 내부식성이 우수한 스테인레스 스틸, 티타늄 등과 같은 금속 박판 재질로 이루어질 수 있다. 아울러, 금(Au), 팔라듐(palladium), 질화크롬(CrN), 질화티타늄(TiN) 등을 이용하여 표면을 코팅하면 단위전지셀과의 사이에서 발생하는 접촉저항을 최소화시킬 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 더미셀(360)은 단위전지셀의 분리판(370)들 사이에 함께 적층된다. 반응가스는 도체판(362)과 분리판(370) 사이의 가스확산층(364)을 통해 이동하게 된다.
더미셀(360)은 복수개가 구비될 수 있다. 더미셀(360)의 적층 위치는 배출 매니폴드의 상류측인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되지 않고 중간에 추가적으로 배치될 수도 있다. 즉 더미셀(360)은 단위전지 적층체의 일측 또는 양측 단부에 적층되거나, 단위전지 적층체의 중간에 적층될 수 있다. 기울어짐으로 인하여 생성수의 적체가 우려되는 부분이 배출 매니폴드의 상류측이기 때문에, 이 부분에 더미셀(360)을 배치하면 적체된 생성수를 보다 원활하게 배출할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 작동과 운전 방법에 대하여 설명한다.
본 발명은 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되어, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체와, 상기 전해질막에 반응가스를 공급하는 공급 매니폴드와, 상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드와, 상기 공급 매니폴드와 상기 배출 매니폴드를 연결하는 바이패스 유로를 포함하는 연료전지 스택 운전방법에 있어서,
상기 공급 매니폴드를 통해 공급되는 반응가스의 유량이 상기 막전극접합체에 반응에 필요한 이론적 유량의 100%를 초과하도록 공급하고, 상기 이론적 유량 초과분의 반응가스는 상기 바이패스 유로를 통해 전기화학적 반응을 하지 않고, 상기 배출 매니폴드를 통과하도록 함으로써, 생성수의 배출을 원활하게 할 수 있다.
이 때, 생성수 배출을 원활하게 하기 위하여 과량 공급되는 반응가스는 연료가스 또는 산화가스 중의 한가지, 혹은 이들 모두일 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100, 200, 300 : 연료전지 스택
110, 210, 310 : 단위전지 적층체
225 : 바이패스 유로
360 : 더미셀
362 : 도체판
364 : 가스확산층

Claims (13)

  1. 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되어, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체;
    상기 전해질막에 반응가스를 공급하는 공급 매니폴드;
    상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드; 및
    상기 공급 매니폴드와 상기 배출 매니폴드를 연결하는 바이패스 유로;를 포함하는 연료전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스 유로를 통과하는 반응가스는 전기화학반응을 하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스 유로는
    상기 배출 매니폴드의 상류측에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스 유로는
    상기 단위전지 적층체의 외부에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 바이패스 유로는
    상기 단위전지 적층체의 양면에 구비되는 압축판의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 바이패스 유로는
    상기 단위전지 적층체의 양면에 구비되는 압축판을 관통하여 외부에 별도로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스 유로는
    상기 단위전지 적층체와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 바이패스 유로는
    상기 분리판과 동일한 매니폴드홀을 구비하는 도체판;과
    상기 도체판의 양면에 구비되는 가스확산층;을 포함하는 더미셀로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 더미셀은 1개 또는 복수개가 단위전지 적층체와 함께 적층되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 더미셀은 단위전지 적층체의 단부에 적층되거나, 또는 단위전지 적층체의 중간에 적층되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 도체판은
    가스를 투과하지 않는 금속박판인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 도체판은
    금(Au), 팔라듐(palladium), 질화크롬(CrN), 질화티타늄(TiN) 중 어느 하나의 물질로 코팅된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  13. 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되어, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체와, 상기 전해질막에 반응가스를 공급하는 공급 매니폴드와, 상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드와, 상기 공급 매니폴드와 상기 배출 매니폴드를 연결하는 바이패스 유로를 포함하는 연료전지 스택 운전방법에 있어서,
    상기 공급 매니폴드를 통해 공급되는 반응가스의 유량이 상기 막전극접합체에서 반응에 필요한 이론적 유량의 100% 초과하도록 공급하고, 상기 이론적 유량 초과분의 반응가스는 상기 바이패스 유로를 통해 전기화학적 반응을 하지 않고, 상기 배출 매니폴드를 통과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 운전방법.
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