KR20150017402A - 냉각 성능이 우수한 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

유로 성형으로 돌출된 부분이 만나서 냉각수가 연료전지 스택의 내부로 유입되도록 금속 분리판의 적층 구조를 설계 변경하여 연료전지 스택에 냉각수가 원활히 공급되도록 함으로써, 우수한 성능 및 내구성을 확보할 수 있는 연료전지 스택에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 냉각 성능이 우수한 연료전지 스택은 적어도 둘 이상이 수직적으로 스택되어, 냉각수가 공급되는 냉각수 유로, 공기가 공급되는 공기 유로 및 수소가 공급되는 반응가스 유로를 구비하는 금속 분리판들; 및 상기 금속 분리판들 사이에 개재되는 막-전극 접합체;를 포함하며, 상기 금속 분리판들은 일부가 서로 어긋나게 스택되어, 냉각수가 냉각수 유로로 원활히 유입되도록 하는 통로를 구성하되, 수직 방향의 냉각수 유로를 따라 냉각수가 상하로 분배되는 것을 특징으로 한다.

Description

냉각 성능이 우수한 연료전지 스택{FUEL CELL STACK WITH EXCELLENT CIRCULATING PERFORMANCE}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각수가 연료전지 스택의 내부로 유입되도록 금속 분리판의 적층 구조를 설계 변경하여 연료전지 스택에 냉각수가 원활히 공급되도록 함으로써, 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 산화환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다. 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동한다. 아울러, 양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다.
연료전지는 전기화학 반응이 일어나는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly : MEA)와 반응가스를 막-전극 접합체의 표면으로 균일하게 분산시켜주는 다공성 매체인 기체 확산층(Gas Diffusion Layer : GDL), 그리고 막-전극 접합체와 기체 확산층을 지지해주며 수소, 산소 그리고 냉각수의 수송 및 생성된 전기를 수집하여 전달하는 부품들을 포함한다.
여기서, 연료전지 발전시 막-전극 접합체와 기체 확산층, 분리판의 각 면으로 수소, 산소 그리고 냉각수가 계속 공급되어 흐르게 된다. 이때, 각각의 반응 가스인 수소 및 산소와 냉각수가 서로 섞이지 않도록 기밀성을 확보하는 것은 연료전지 시스템 운전에 있어서 가장 중요한 부분 중 하나이다.
연료전지의 경우, 발전 과정에서 열이 발생되는데, 연료전지 스택의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 냉각 매체를 활용하여 발생열을 제거 또는 회수하여 사용하기도 한다. 이때, 냉각 매체로는 공기 또는 냉각수를 많이 사용하며, 1kW급 이상의 연료전지 시스템에서는 대부분 냉각수가 활용되고 있다.
연료전지 스택의 발전 용량이 클수록 발생되는 열 또한 비례적으로 증가하게 되는데, 이때 원활한 연료전지 스택의 냉각은 연료전지 스택의 성능 및 내구성에 중대한 영향을 미친다.
한편, 일반적으로 흑연 분리판을 적용한 연료전지 스택의 경우 흑연 분리판의 두께로 인하여 수소와 공기 유로와 함께 냉각수 유로를 별도로 설계하여 스택의 냉각 성능을 최적화 한다. 이때, 수소와 공기, 냉각수의 유로는 사행(serpentine) 유로를 채택하는 경우가 많으며, 사행 유로의 경우 직선 유로에 비하여 상대적으로 물배출이 용이하여 대면적 연료전지 스택의 유로에서 많이 사용되고 있다.
그러나, 금속 분리판의 경우 반응 가스인 수소와 공기의 유로를 성형 할 경우 유로 성형 형상이 반대면에 동일하게 형성되게 된다. 따라서 금속분리판을 적용한 대면적 스택에 사행 유로를 적용할 경우, 유로 성형으로 돌출된 부분이 만나서 냉각수가 연료전지 스택의 내부로 유입되지 못하게 방해하여 냉각수가 연료전지 스택에 원활이 공급되지 못하는 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하는 한 방법으로는 대면적 금속분리판에 직선 유로를 적용하여 냉각수의 유입을 원할히 하는 방법이 있으나 이와 같은 경우 차압이 낮은 저전류 운전 구간에서 물 배출 성능이 떨어져 스택 성능 불안정성 및 내구 성능 저하의 원인이 된다. 또한 냉각수 채널이 마주치는 부분에 요철을 주어 냉각수가 유입되는 구조를 확립하는 방법이 있으나 이경우 연료 및 반응가스가 지나가는 채널의 단면적이 줄어 드는 문제가 발생하게 된다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2006-0001431호(2006.01.06 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 연료전지용 스택 및 그의 제조방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 유로 성형으로 돌출된 부분이 만나 냉각수가 연료전지 스택의 내부로 유입되지 못하도록 방해하던 금속 분리판의 구조를 설계 변경하여 연료전지 스택에 냉각수가 원활히 공급되도록 함으로써, 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 냉각 성능이 우수한 연료전지 스택은 적어도 둘 이상이 수직적으로 스택되어, 냉각수가 공급되는 냉각수 유로, 공기가 공급되는 공기 유로 및 수소가 공급되는 반응가스 유로를 구비하는 금속 분리판들; 및 상기 금속 분리판들 사이에 개재되는 막-전극 접합체;를 포함하며, 상기 금속 분리판들은 일부가 서로 어긋나게 스택되어, 냉각수가 냉각수 유로로 원활히 유입되도록 하는 통로를 구성하되, 수직 방향의 냉각수 유로를 따라 냉각수가 상하로 분배되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 냉각수 유로들 상호 간이 맞닿는 랜드부 중 굴절되는 부분과 더불어, 양측의 매니폴드부에 인접한 냉각수 유로들의 끝단 부분이 서로 어긋나게 스택함으로써, 금속 분리판들이 굴절되는 부분에서 냉각수 유로의 내부로 냉각수가 원활히 공급되도록 함으로써, 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택은 냉각수 유입부와 냉각수 배출부에서와 같이 유로의 높이가 상이한 부분에 대해서도 양측의 매니폴드부에 인접한 냉각수 유로들의 끝단 부분을 서로 어긋하도록 스택함으로써, 인접한 냉각수 유로를 통과시, 수직 방향의 냉각수 유로를 따라 냉각수가 상하로 분배되어 냉각수 유로의 내부로 냉각수가 원활히 공급됨으로써, 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 도 2의 금속 분리판을 나타낸 평면도이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 A 부분을 확대하여 나타낸 평면도 및 사시도이다.
도 6은 연료전지 스택의 냉각수 유입부 부분을 절단한 면을 나타낸 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉각 성능이 우수한 연료전지 스택에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 복수의 단위셀(C)이 결합되는 형태를 가지며, 각 단위셀(C)의 중심부에는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly : MEA, 110)가 배치된다.
막-전극 접합체(110)는 수소 양이온(proton)을 이동시킬 수 있는 전해질막(120)과, 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질막(120)의 양면에 도포된 촉매층인 애노드(anode, 130) 및 캐소드(cathode, 132)를 포함한다.
또한, 막-전극 접합체(110)의 외측에는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer : GDL, 140)이 적층되고, 가스 확산층(140)의 외측에는 공기 또는 수소를 공급하고 반응에 의해 생성되는 물을 배출하도록 유로가 형성된 금속 분리판(150)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(End plate, 160)가 결합된다.
이와 같은 구성을 갖는 연료전지 스택에 대한 전기에너지 생성 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 애노드(130)에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(proton)과 전자(electron)가 발생하고, 수소 이온과 전자는 각각 전해질막(120)과 금속 분리판(150)을 통하여 캐소드(132)로 이동하게 되며, 이후 캐소드(132)에서는 수소이온과, 전자와, 공기 중의 산소가 참여하는 전기화학반응이 일어나 물이 생성되고, 애노드(130)와 캐소드(132) 사이의 전자의 흐름에 의해 전기에너지가 발생된다.
즉, 애노드(130)로 공급된 수소는 수소이온(H+)과 전자(electron, e-)로 분해되고, 분해된 수소이온은 전해질을 통과하여 캐소드(132)로 이동하게 되고, 이 캐소드(132)에서는 애노드(130)에서 이동해 온 수소이온(H+)과 외부도선을 통하여 이동한 전자(electron, e-) 및 캐소드(132)로 공급된 산소가 전극에서 만나 물을 생성함과 동시에 열을 발생시키는 반응을 통하여 전기에너지를 생성하게 된다.
상기 연료전지 스택(100)의 금속 분리판(150)은 각 단위셀(C)을 구분함과 동시에 냉각수, 공기, 수소를 공급하기 위한 유로를 제공하는 역할을 한다. 이러한 금속 분리판(150)은 기체의 투과도가 낮고, 단위셀(C)의 형상을 유지할 수 있도록 충분한 구조강도를 가져야 한다.
즉, 연료전지 스택(100)의 단위셀(C)과 단위셀(C)은 요철 구조의 금속 분리판(150)들이 서로 적층되는 형태를 갖는다. 이때, 복수의 금속 분리판(150)들, 특히 이웃한 2개의 금속 분리판(150)들이 상호 마주보는 형태로 스택되어 결합된다. 이때, 금속 분리판(150)들은 프레스 가공에 의하여 요철 구조를 가질 수 있다.
이와 같이, 요철 구조를 갖는 금속 분리판(150)들 간의 스택에 의하여, 냉각수가 공급되는 냉각수 유로(156)와, 공기가 공급되는 공기 유로(157) 및 수소가 공급되는 반응가스 유로(158)가 구비된다. 이때, 이웃한 2개의 금속 분리판(150)들 중 상부에 배치되는 금속 분리판(150)이 애노드와 접촉될 경우에는 하부에 배치되는 금속 분리판(150)은 캐소드와 접촉된다. 이와 반대로, 이웃한 2개의 금속 분리판(150)들 중 상부에 배치되는 금속 분리판(150)이 캐소드와 접촉될 경우에는 하부에 배치되는 금속 분리판(150)은 애노드와 접촉된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 도 2의 금속 분리판을 나타낸 평면도이고, 도 4 및 도 5는 도 3의 A 부분을 확대하여 나타낸 평면도 및 사시도이고, 도 6은 연료전지 스택의 냉각수 유입부 부분을 절단한 면을 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 금속 분리판(150)들 및 막-전극 접합체(110)를 포함한다.
금속 분리판(150)들은 적어도 둘 이상이 수직적으로 스택되어, 냉각수가 공급되는 냉각수 유로(156), 공기가 공급되는 공기 유로(도 2의 157) 및 수소가 공급되는 반응가스 유로(158)를 구비한다.
이러한 금속 분리판(150)들 각각은 금속 분리판 몸체(152) 및 가스켓(154)을 포함한다.
금속 분리판 몸체(152)는 직사각형 형상을 가지며 중앙에 배치되는 냉각수 유로(156), 공기 유로 및 반응가스 유로(158)를 구비하는 채널부(CA)와 채널부(CA)의 양측 가장자리에 각각 배치되는 매니폴드부(MA)를 구비한다. 이때, 반응가스 유로(158)는 금속 분리판 몸체(152)의 제1면으로부터 제2면으로 돌출되어 형성되고, 냉각수 유로(156)는 반응가스 유로(158) 사이에 형성된다.
특히, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 금속 분리판(150)들은 매니폴드부(MA)에 인접하게 배치되는 냉각수 유로(156)들의 양측 가장자리 부분이 서로 어긋나게 스택된다. 그리고, 금속 분리판(150)들은 냉각수 유로(156)들 상호 간의 가로 방향은 일직선 상에서 상호 중첩되도록 스택된다.
이와 같이, 금속 분리판(150)들의 일부, 특히 냉각수 유로(156)들의 굴절되는 부분만을 선택적으로 서로 어긋나게 스택할 경우, 인접한 냉각수 유로(156)를 통과하는 과정에서 수직 방향의 냉각수 유로(156)를 따라 냉각수가 상하로 분배되어, 금속 분리판(156)들이 굴절되는 부분에서도 냉각수 유로(156)의 내부로 냉각수가 원활히 공급됨으로써, 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택(100)은 냉각수 유로(156)들 상호 간이 맞닿는 랜드부 중 굴절되는 부분과 더불어, 양측의 매니폴드부(MA)에 인접한 냉각수 유로(156)들의 끝단 부분이 서로 어긋나게 스택된다. 여기서, 냉각수 유로(156)의 끝단 부분은 냉각수가 유입되는 냉각수 유입부과 냉각수가 배출되는 냉각수 배출부에 해당한다.
이와 같이, 냉각수 유로(156)들 상호 간이 맞닿는 랜드부 중 굴절되는 부분과 더불어, 양측의 매니폴드부(MA)에 인접한 냉각수 유로(156)들의 끝단 부분을 서로 어긋나게 스택할 경우, 금속 분리판(150)들이 굴절되는 부분에서도 냉각수 유로(156)의 내부로 냉각수가 원활히 공급됨으로써, 연료전지 스택(100)의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
이처럼 서로 어긋난 부분을 활용하여 냉각수 유입구조를 구성할 경우, 이웃한 금속 분리판(150)들의 적층 공차는 ± 0.2mm의 범위 이내에서 서로 어긋나게 스택하는 것이 바람직한데, 이는 상기의 범위로 엄격히 제어되어야 냉각수 유로(156)가 반응가스 유로(158)를 침범하여 냉각수 유입을 방해하는 것을 미연에 방지할 수 있기 때문이다.
가스켓(154)은 금속 분리판 몸체(152)의 채널부(CA)와 매니폴드부(MA)의 가장자리를 실링하는 역할을 한다. 이러한 가스켓(154)은 다수의 금속 분리판(150)이 스택되어 형성되는 반응가스 유로(158)로 유입되는 수소가 외부로 새어나는 것을 방지하는 역할을 한다.
막-전극 접합체(도 1의 110)는 금속 분리판(150)들 사이에 개재된다. 이러한 막-전극 접합체는 수소 양이온(proton)을 이동시킬 수 있는 전해질막과, 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질막의 양면에 도포된 촉매층인 애노드 및 캐소드를 포함한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 엔드 플레이트(도 1의 160)를 더 포함할 수 있다.
엔드 플레이트는 스택된 금속 분리판(150)들의 최 외측에 배치되어, 스택된 금속 분리판(150)들을 체결하는 역할을 한다. 이러한 엔드 플레이트는 복수의 단위셀들을 지지하는 역할과 더불어, 반응가스를 금속 분리판(150)들의 채널부로 공급하기 위한 반응가스의 주입구 역할을 한다. 이때, 엔드 플레이트는 아노다이징 처리된 알루미늄으로 형성하는 것이 바람직한데, 이는 일정한 강도를 가져야 막-전극 접합체와의 절연성을 확보할 수 있기 때문이다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은 냉각수 유로들 상호 간이 맞닿는 랜드부 중 굴절되는 부분과 더불어, 양측의 매니폴드부에 인접한 냉각수 유로들의 끝단 부분이 서로 어긋나게 스택하여, 금속 분리판들이 굴절되는 부분에서 냉각수 유로의 내부로 냉각수가 원활히 공급됨으로써, 기존의 대면적 금속분리판에서 적용하기 어려웠던 사행성 유로를 적용, 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택은 냉각수 유입부와 냉각수 배출부에서와 같이 채널의 높이가 상이한 부분에 대해서도 양측의 매니폴드에 인접한 냉각수 유로들의 끝단 부분을 서로 어긋하도록 스택함으로써, 인접한 냉각수 유로를 통과시, 수직 방향의 냉각수 유로를 따라 냉각수가 상하로 분배되어 냉각수 유로의 내부로 냉각수가 원활히 공급됨으로써, 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 연료전지 스택 110 : 막-전극 접합체
120 : 전해질막 130 : 애노드
132 : 캐소드 140 : 가스 확산층
150 : 금속 분리판 152 : 금속 분리판 몸체
154 : 가스켓 156 : 냉각수 유로
157 : 공기 유로 158 : 반응가스 유로
160 : 엔드 플레이트 L : 랜드부
CA : 채널부 MA : 매니폴더부

Claims (4)

  1. 적어도 둘 이상이 수직적으로 스택되어, 냉각수가 공급되는 냉각수 유로, 공기가 공급되는 공기 유로 및 수소가 공급되는 반응가스 유로를 구비하는 금속 분리판들; 및
    상기 금속 분리판들 사이에 개재되는 막-전극 접합체;를 포함하며,
    상기 금속 분리판들은 일부가 서로 어긋나게 스택되어, 냉각수가 냉각수 유로로 원활히 유입되도록 하는 통로를 구성하되, 수직 방향의 냉각수 유로를 따라 냉각수가 상하로 분배되는 것을 특징으로 하는 냉각 성능이 우수한 연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분리판들 각각은
    직사각형 형상을 가지며 중앙에 배치되는 냉각수 유로, 공기 유로 및 반응가스 유로를 구비하는 채널부와, 상기 채널부의 양측 가장자리에 각각 배치되는 매니폴드부를 구비하는 금속 분리판 몸체와,
    상기 금속 분리판 몸체의 채널부와 매니폴드부의 가장자리를 실링하는 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 성능이 우수한 연료전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 분리판들은
    상기 매니폴드부에 인접하게 배치되는 상기 냉각수 유로들의 양측 가장자리 부분이 서로 어긋나게 스택된 것을 특징으로 하는 냉각 성능이 우수한 연료전지 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속 분리판들은
    상기 냉각수 유로들 상호 간의 가로 방향은 일직선 상에서 상호 중첩되도록 스택된 것을 특징으로 하는 냉각 성능이 우수한 연료전지 스택.
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