KR20160075987A - 평면배열형 연료전지 - Google Patents

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최영재
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Abstract

본 발명은 평면배열형 연료전지에 관한 것으로, 연료극과 공기극 및 전해질을 구비한 복수의 셀; 이 셀과 상응한 형상을 가진 복수의 윈도우가 배열되어, 각 윈도우 내에 셀이 배치되는 셀 프레임; 셀의 양측에 각각 적층되는 연료극 집전체와 공기극 집전체; 셀 프레임의 양측에서 각각 결합하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트; 및 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트 중 어느 하나에 결합하여 연료와 산화제가 이동하는 매니폴드 헤더를 포함하여서, 복수의 셀을 일체형 셀 프레임에 병렬로 배열시켜 구조적 대면적화를 구현 가능하게 됨으로써, 고전압 및 고출력을 얻을 수 있는 효과가 있게 된다.

Description

평면배열형 연료전지{FUEL CELLS WITH PLANAR BANDED ARRAY}
본 발명은 셀(cell)을 병렬로 배열한 평면배열형 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 셀을 일체형 셀 프레임에 병렬로 배열시킨 평면배열형 연료전지에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료(수소)의 화학적 에너지가 전기 에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 발전 시스템이며, 전해질을 통해 산화제 및 연료를 전기 화학적으로 반응시킴으로써 직류 전기를 생산하는 에너지 전환 장치이다.
이러한 연료전지는 다공성 연료극(anode) 및 공기극(cathode), 그리고 치밀한 구조의 전해질로 구성된 셀을 기본으로 한다. 통상 연료극에는 연료로서 수소 를 주입하고 공기극에는 산화제로서 공기(또는 산소)를 주입하게 되는데, 이때 전해질을 통해 이온이 이동하면서 최종적으로 물이 생성됨과 더불어, 전자는 외부 회로로 흐르게 된다. 셀은 이러한 전자의 흐름을 이용하여 전기를 생산한다.
1개의 셀이 생산하는 전압의 레벨이 낮아서 사용에 적합하지 않기 때문에 연료전지를 발전에 이용하기 위해서는 셀을 직렬로 연결해 놓은 적층된 형태의 스택(stack)을 형성한다. 스택을 형성하기 위해 각 셀의 연료극과 공기극을 전기적으로 연결하면서 연료와 산화제의 혼합을 막기 위해 분리판을 사용한다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체산화물 연료전지, 고분자전해질형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등으로 분류될 수 있다. 인산형 연료전지, 고분자전해질형 연료전지 및 알칼리형 연료전지는 비교적 낮은 온도에서 작동하며, 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 연료전지는 상대적으로 고온에서 작동한다.
또한, 연료전지는 그 종류에 따라 셀의 구성에 차이가 있다. 예를 들어, 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; 이하 SOFC라 함)의 경우에는 연료극과 공기극 및 전해질은 모두 세라믹 물질로 이루어지며, 이들을 적층한 후 고온에서 소성시켜 1장의 셀로 제조하게 되는데, 제조 공정의 특성상 셀의 표면이 매끄럽지 못하게 되어 일정 수준의 표면조도를 갖게 된다.
더구나, SOFC의 셀은 세라믹 소성을 거쳐야 하므로 고출력을 얻기 위해 대면적화하는 데에 한계가 존재한다. 실제로 국내외의 SOFC의 셀이 갖는 최대 크기는 약 1,000cm2급이다.
면적이 더 커질 경우, 소결로 등과 같은 설비가 갖는 한계뿐 아니라, 생산 수율이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 면적이 커짐으로써, 연료와 산화제의 혼합을 막는 전해질의 결함도 높아질 수 있어서, 연료전지 스택의 신뢰성에도 영향을 줄 수 있다.
한편, SOFC와 달리 용융탄산염형 연료전지(molten carbonate fuel cell; 이하 MCFC라 함)의 경우에는 면적이 약 10,000cm2에 근접하여 단위면적당 출력밀도는 SOFC보다 낮으나, 대면적화로 인해 고출력을 구현할 수 있다. 이는 MCFC의 전극이 소결되지 않은 채로 연료전지 스택에 장착되는 이유도 있고, 전해질로 사용되는 탄산염이 작동온도에서 점성을 갖는 액체이기 때문에 가능하게 되는 것이다.
반면에, SOFC는 전술한 바와 같이 연료극과 공기극 및 전해질이 하나의 구성체로 소결됨으로 인해 한계 또는 문제점이 존재하게 된다. 이러한 한계 또는 문제점을 해결하기 위해 생산 수율에 영향을 미치지 않는 크기를 갖는 소면적(예컨대, 100 ~ 300cm2)의 셀을 평면으로 배열하여 고출력의 단위전지를 구현하는 방법이 제안되었다.
특허문헌 1에서는 임베디드 분리판을 이용하여 평면배열형 SOFC를 구현하고자 하였으나, 실제 SOFC의 작동온도에서 분리판이 변형되고, 연료의 공급방식에 따라 셀 간 편차가 있게 되며, 채널이 형성된 분리판을 조립해야 하기 때문에 공정 및 비용이 증가하는 단점이 있다.
(특허문헌 1) 한국 공개특허 10-2010-0035300
이에 본 발명은 복수의 셀을 사용하여 구조적 대면적화를 구현함으로써, 고전압 및 고출력을 얻을 수 있는 평면배열형 연료전지를 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평면배열형 연료전지는, 연료극과 공기극 및 전해질을 구비한 복수의 셀; 상기 셀과 상응한 형상을 가진 복수의 윈도우가 배열되어 각 윈도우 내에 셀이 배치되며, 연료 또는 산화제가 통과하는 입구공과 출구공이 마련된 셀 프레임; 상기 셀의 양측에 각각 적층되는 연료극 집전체와 공기극 집전체; 상기 셀 프레임의 양측에서 각각 결합하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트; 및 상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 중 어느 하나에 결합하고, 결합한 엔드 플레이트의 유입공과 유출공에 연통되는 내부 통로를 갖추어 상기 연료와 상기 산화제가 독립적으로 이동하게 하는 매니폴드 헤더를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 평면배열형 연료전지는, 연료극과 공기극 및 전해질을 구비한 복수의 셀; 상기 셀과 상응한 형상을 가진 복수의 윈도우가 배열되어 각 윈도우 내에 셀이 배치되며, 연료 또는 산화제가 통과하는 입구공과 출구공이 마련된 복수의 셀 프레임; 상기 셀의 양측에 각각 적층되는 연료극 집전체와 공기극 집전체; 상기 복수의 셀 프레임 사이에 위치하고, 상기 연료 또는 상기 산화제가 통과하는 유입공과 유출공이 형성된 분리판; 상기 복수의 셀 프레임 중 양측 최외곽의 셀 프레임에서 상기 분리판의 반대측에 각각 결합하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트; 및 상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 중 어느 하나에 결합하고, 결합한 엔드 플레이트의 유입공과 유출공에 연통되는 분리된 내부 통로를 갖추어 상기 연료와 상기 산화제가 독립적으로 이동하게 하는 매니폴드 헤더를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 복수의 셀을 일체형 셀 프레임에 병렬로 배열시켜 구조적 대면적화를 구현 가능하게 됨으로써, 고전압 및 고출력을 얻을 수 있는 효과가 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면, 제조가 용이하게 됨으로써 제조 공정 및 생산 원가를 감소시킬 수 있고, 구조가 단순하고 조립공차가 줄어들어 기밀성이 확보됨으로써 제품의 신뢰성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면배열형 연료전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 평면배열형 연료전지의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 셀 프레임의 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제1 엔드 플레이트의 평면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 제2 엔드 플레이트의 저면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 매니폴드 헤더의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면배열형 연료전지(2개의 셀 사용)의 출력 평가를 기존의 셀을 사용한 출력 평가와 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면배열형 연료전지(2개의 셀 사용)의 정전류 평가를 기존의 셀을 사용한 정전류 평가와 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면배열형 연료전지를 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9에 도시된 분리판의 평면도이다.
도 11은 도 9에 도시된 분리판의 저면도이다.
이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면배열형 연료전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 평면배열형 연료전지의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 셀 프레임의 평면도, 도 4는 도 1에 도시된 제1 엔드 플레이트의 평면도, 도 5는 도 1에 도시된 제2 엔드 플레이트의 저면도, 도 6은 도 1에 도시된 매니폴드 헤더의 사시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 평면배열형 연료전지는, 연료극과 공기극 및 전해질을 구비한 복수의 셀(10); 이 셀(10)과 상응한 형상을 가진 복수의 윈도우(22)가 배열되어, 각 윈도우(22) 내에 셀(10)이 배치되는 셀 프레임(20); 셀(10)의 양측에 각각 적층되는 연료극 집전체(30)와 공기극 집전체(40); 셀 프레임(10)의 양측에서 각각 결합하는 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60); 및 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60) 중 어느 하나에 결합하는 매니폴드 헤더(70)를 포함하고 있다.
셀(10)은 이온만을 선택적으로 통과시키는 막 형태의 고분자 전해질을 구비한다. 이러한 고분자 전해질의 양측면에 연료극과 공기극이 접합 또는 적층 후 함께 소성되어 일체로 형성될 수 있다. 이러한 셀의 보다 구체적인 구성 및 작용은 공지된 것으로서 그 자세한 설명은 이하에서 생략한다.
셀(10)의 양측면에는 연료극 집전체(30)와 공기극 집전체(40)가 적층된다. 이들 집전체는 전기전도성이 좋아야 하므로, 연료극 집전체(30)로는 예컨대 니켈 메쉬(Ni mesh) 또는 니켈 폼(Ni foam) 등을 사용할 수 있고, 공기극 집전체(40)로는 전도성 세라믹 또는 스테인리스강과 같은 금속으로 된 판재를 사용할 수 있다. 각각의 연료극 집전체(30) 및 공기극 집전체(40)가 갖는 셀의 반대측 면에는 해당 엔드 플레이트가 접촉하게 된다. 이로써, 셀(10)과 각 엔드 플레이트(50, 60)의 사이에는 전기적 연결이 원활히 이루어질 수 있게 된다.
셀 프레임(20)에는 복수의 셀(10)과 상응한 형상을 가진 복수의 윈도우(22)가 동일 평면상에 병렬로 배열되어 있다. 시스템에서 요구하는 셀의 개수에 맞추어 윈도우(22)의 개수가 결정될 수 있다. 도 2 및 도 3에는 단지 2개의 윈도우(22)를 가진 셀 프레임(20)이 도시되어 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 하나의 셀 프레임에 3개 이상의 윈도우가 형성될 수 있다. 또, 이들 윈도우(22)는 도시된 바와 같이 선형으로 배열되어도 되지만, 4개 이상이면 격자형으로 배열될 수 있음은 물론이다.
복수의 윈도우(22)는 그 크기가 모두 동일한 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되지 않으며 결합하는 각 셀(10)의 크기에 따라 변경되어도 된다. 윈도우(22)를 구성하는 내벽에는 셀(10)의 외주 형상에 상응하게 단차부 내지 경사부가 형성될 수 있어, 셀(10)이 윈도우(22) 내에 삽입되면서 안착되게 된다.
셀 프레임(20)에는 셀(10)에 공급되는 연료와 산화제 중 하나, 예컨대 산화제가 통과하는 제1 입구공(23)과 제1 출구공(24)이 각 윈도우(22)의 주위에 마련되어 있다.
셀 프레임(20)의 양측에는 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60)가 결합한다. 각 엔드 플레이트(50, 60)는 예컨대 스테인리스강 등과 같은 금속, 그라파이트(graphite), 전기전도성이 있는 복합소재 등으로 제조될 수 있다. 셀 프레임(20)은 엔드 플레이트(50, 60)와 동일한 재료로 형성되어도 된다.
제1 엔드 플레이트(50)에는 연료와 산화제 중 하나, 예컨대 연료(수소)가 통과하는 제1 유입공(53)과 제1 유출공(54)이 마련되며, 예컨대 산화제가 통과하는 제2 유입공(55)과 제2 유출공(56)이 마련될 수 있다.
제1 엔드 플레이트(50)의 셀 프레임(20)에 대향하는 면에는 예를 들어 연료극 쪽에 연료를 공급하기 위한 복수의 제1 유로홈부(52)가 형성되어 있다. 각각의 제1 유로홈부(52)는 일측에서 제1 유입공(53)과 연통해 있고, 타측에서 제1 유출공(54)과 연통하고 있다.
또, 제2 엔드 플레이트(60)의 셀 프레임(20)에 대향하는 면에는 예를 들어 공기극 쪽에 산화제를 공급하기 위한 복수의 제2 유로홈부(62)가 형성되어 있다. 각각의 제2 유로홈부(62)는 일측에서 셀 프레임(20)의 제1 입구공(23)과 연통하고, 타측에서 셀 프레임(20)의 제1 출구공(24)과 연통하게 된다.
각 엔드 플레이트(50, 60)에는 복수의 유로홈부(52, 62)가 동일 평면상에 병렬로 배열되어 있다. 이러한 유로홈부(52, 62)는 셀 프레임(20)의 윈도우(22)의 위치에 상응하게 위치된다. 시스템에서 요구하는 셀의 개수에 맞추어 유로홈부(52, 62)의 개수가 결정될 수 있다. 도 2와 도 4 및 도 5에는 단지 2개의 유로홈부(52, 62)를 가진 엔드 플레이트(50, 60)가 예시되어 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 하나의 엔드 플레이트에 3개 이상의 유로홈부가 형성될 수 있다. 또, 이들 유로홈부(52, 62)는 도시된 바와 같이 선형으로 배열되어도 되지만, 격자형으로 배열될 수 있음은 물론이다.
각 유로홈부(52, 62)에는 적정한 개수와 크기의 채널(57, 67)이 형성되어 있어, 연료 또는 산화제의 흐름이 방해 없이 이들 채널(57, 67)에 의해 연료극 또는 공기극에 원활히 공급될 수 있게 된다.
도면들에서는 평행류(co-flow) 형태로 연료나 산화제의 공급이 이루어지는 시스템을 가정하여 각 유로홈부(52, 62)에 평행류 형태의 채널(57, 67)이 형성된 예를 나타내고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않으며 대향류(counter flow) 또는 교차류(cross flow) 형태의 채널도 적용될 수 있다. 또한, 도면들에는 채널(57, 67)이 대부분 일(一)자형으로 형성된 예가 나타나 있지만, 이에 한정되지 않고 연료 또는 산화제의 흐름 조절을 위해 예컨대 지그재그형이나 소용돌이형 등과 같은 다양한 패턴으로 설계될 수 있음은 당연하다.
추가로, 각 엔드 플레이트(50, 60)에는 인출부(90)가 형성되어 있어, 이 인출부(90)를 통해 생산된 전기가 외부로 인출 가능하게 된다. 이러한 인출부(90)로는 버스바가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
각 엔드 플레이트(50, 60)와 셀 프레임(20)의 사이에는 밀봉재(미도시)가 개재될 수 있다. 밀봉재는 연료 또는 산화제가 누출되는 것을 방지하기 위한 것으로, 유리-세라믹(glass ceramic), 유리-충전재 복합재료, 운모(mica) 또는 운모-유리 복합재료, 브레이징재와 같은 고온융착재 등으로 이루어진 군에서 선택된 소재로 만들어질 수 있다. 이와 같은 밀봉재는 부식되지 않는 내식성을 가지며 연료 또는 산화제가 누설되지 않도록 밀폐함과 더불어, 각 엔드 플레이트(50, 60)와 셀 프레임(20)이 서로 접합되게 할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 셀(10)과 윈도우(22)의 사이에도 별도의 밀봉재가 개재될 수 있다.
매니폴드 헤더(70)는 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60) 중 어느 하나에 결합할 수 있다. 이러한 매니폴드 헤더(70)는 연료와 산화제를 외부로부터 도입해 셀(10)에 공급함과 동시에, 셀(10)에서 연료 및 산화제가 반응한 후의 가스나 물을 외부로 배출하는 통로를 제공하게 된다. 도 1 및 도 2에는 제1 엔드 플레이트(50) 쪽에 결합한 예가 나타나 있다.
매니폴드 헤더(70)에는 연료와 산화제 중 하나, 예컨대 연료를 공급하는 제1 공급관(71)과 연료극 쪽의 반응 부산물을 배출하는 제1 배출관(72)이 연결되고, 예컨대 산화제를 공급하는 제2 공급관(73)과 공기극 쪽의 반응 부산물을 배출하는 제2 배출관(74)이 연결될 수 있다. 제1 공급관(71)은 연료 펌프를 매개로 하여 연료 탱크로부터 연료를 전달받아 셀(10)에 공급한다. 또, 제2 공급관(73)은 산화제용 펌프에 연결되어 산화제인 공기를 셀(10)에 공급한다.
또한, 매니폴드 헤더(70)에서 엔드 플레이트와 결합하는 면에는 분리된 내부 통로들에 의해 각각 제1 공급관(71)에 연통되는 제1 공급공(75), 제1 배출관(72)에 연통되는 제1 배출공(76), 제2 공급관(73)에 연통되는 제2 공급공(77), 제2 배출관(74)에 연통되는 제2 배출공(78)이 형성되어 있다.
셀 프레임(20)과 제1 및 제2 엔드 플레이트(50, 60)가 매니폴드 헤드(70) 상에 적층된 상태에서 복수의 유로가 형성된다.
보다 구체적으로 설명하면, 매니폴드 헤더(70)의 제1 공급관(71)으로부터 제1 공급공(75), 제1 엔드 플레이트(50)의 제1 유입공(53)과 제1 유로홈부(52) 및 제1 유출공(54), 그리고 매니폴드 헤더(70)의 제1 배출공(76) 및 제1 배출관(72)까지 연통됨으로써, 예컨대 연료가 셀(10)의 일측에 공급되고 셀(10)로부터의 반응 부산물이 배출될 수 있는 하나의 유로를 형성할 수 있다.
또, 매니폴드 헤더(70)의 제2 공급관(73)으로부터 제2 공급공(77), 제1 엔드 플레이트(50)의 제2 유입공(55)과 셀 프레임(20)의 제1 입구공(23) 및 제2 엔드 플레이트(60)의 제2 유로홈부(62)를 거쳐, 셀 프레임(20)의 제1 출구공(24)과 제1 엔드 플레이트(50)의 제2 유출공(56), 그리고 매니폴드 헤더(70)의 제2 배출공(78) 및 제2 배출관(74)까지 연통됨으로써, 예컨대 산화제가 셀(10)의 타측에 공급되고 셀(10)로부터의 반응 부산물이 배출될 수 있는 다른 하나의 유로를 형성할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 이들 연료 또는 산화제의 흐름 경로를 살펴보면, 각 엔드 플레이트의 중앙에서 유입되고 그 길이방향의 양단 쪽으로 진행하여 유출되는 경향을 보이고 있다. 따라서, 본 발명의 평면배열형 연료전지에서는 셀 간 편차가 없이 균일한 반응이 일어나게 되고, 결국 안정적으로 고출력을 얻을 수 있게 된다.
물론, 연료 또는 산화제의 흐름 경로는 역방향으로, 다시 말해 각 엔드 플레이트의 양단에서 유입되고 중앙에서 유출되게 진행하도록 설계될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 매니폴드 헤더(70)와 제1 엔드 플레이트(50)의 사이에는 별도의 밀봉재가 개재될 수 있다. 밀봉재는 연료 또는 산화제가 누출되는 것을 방지하기 위한 것으로, 유리-세라믹(glass ceramic), 유리-충전재 복합재료, 운모(mica) 또는 운모-유리 복합재료, 브레이징재와 같은 고온융착재 등으로 이루어진 군에서 선택된 소재로 만들어질 수 있다. 이와 같은 밀봉재는 부식되지 않는 내식성을 가지며 연료 또는 산화제가 누설되지 않도록 밀폐함과 더불어, 엔드 플레이트와 매니폴드 헤더가 서로 접합되게 할 수 있다. 이와 같은 밀봉재를 적용함으로써, 기밀성이 확보될 수 있으므로, 제품의 신뢰성이 향상되게 된다.
한편, 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60), 이들 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60) 사이에 위치된 셀 프레임(20), 그리고 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60) 중 어느 하나에 결합하는 매니폴드 헤더(70)는 서로 접착제 또는 고정나사에 의해 적층된 채로 고정될 수 있다. 접착제가 사용되는 경우에, 접착제가 밀봉재의 역할을 병행할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면배열형 연료전지(2개의 셀 사용)의 출력 평가를 기존의 셀을 사용한 출력 평가와 비교한 그래프이다.
전류에 따른 전압특성 평가는 연료전지 성능평가의 기본으로서, 본 평가에서는 연료전지의 작동온도가 700℃와 750℃일 때의 성능을 평가하였고, 비교를 위해 기존의 1장의 셀을 가진 연료전지를 사용하여 동일한 조건에서 본 발명의 평면배열형 연료전지와 함께 평가하였다.
도 7의 그래프에서 가는 실선과 굵은 실선으로 표시된 전류-전압-출력 곡선이 본 발명의 평면배열형 연료전지에 대한 평가결과이고, 점선과 이점쇄선으로 표시된 전류-전압-출력 곡선이 비교를 위한 기존의 1장의 셀을 가진 연료전지의 평가결과이다.
결과에서 볼 수 있듯이 본 발명의 평면배열형 연료전지가 기존에 비해 동등 이상의 출력을 나타내는 것을 확인하였고, 이에 따라 복수의 셀을 배열함으로써 증가한 셀의 개수만큼 몇 배 이상의 고출력을 구현하게 됨을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면배열형 연료전지(2개의 셀 사용)의 정전류 평가를 기존의 셀을 사용한 정전류 평가와 비교한 그래프이다.
연료전지 성능평가 중 다른 중요한 평가로는 일정 전류를 인가하여 시간에 따른 전압변화를 확인하는 것이 있는데, 시간에 따라 전압이 떨어지는 것을 열화라고 한다. 열화가 일어나는 요인은 여러 가지 존재할 수 있으나, 본 평가에서는 동일한 셀, 집전체, 밀봉재 등을 사용하고 평면배열형 구조에 열화의 변수를 맞추었다.
인가된 전류는 0.475A/cm2이며, 사용된 셀은 100cm2급 셀이다. 또한, 연료 이용율은 수소 기준으로 75%에서 평가를 실시하였다.
도 8에서 실선으로 표시된 바와 같이, 기존의 1장의 셀을 가진 연료전지의 성능 대비 본 발명의 평면배열형 연료전지가 동등 이상의 안정성을 나타냄을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면배열형 연료전지를 도시한 사시도이고, 도 10은 도 9에 도시된 분리판의 저면도이며, 도 11은 도 9에 도시된 분리판의 평면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면배열형 연료전지는, 연료극과 공기극 및 전해질을 구비한 복수의 셀(10); 이 셀(10)과 상응한 형상을 가진 복수의 윈도우(22)가 배열되어, 각 윈도우(22) 내에 셀(10)이 배치되는 복수의 셀 프레임(20', 20"); 셀(10)의 양측에 각각 적층되는 연료극 집전체(30)와 공기극 집전체(40); 복수의 셀 프레임(20', 20") 사이에 위치하는 분리판(80); 복수의 셀 프레임(20', 20") 중 양측 최외곽의 셀 프레임에서 분리판(80)의 반대측에 각각 결합하는 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60); 및 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60) 중 어느 하나에 결합하는 매니폴드 헤더(70)를 포함하고 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 평면배열형 연료전지에서는, 셀 프레임을 복수로 구비하고 이들 셀 프레임(20', 20") 사이에 분리판(80)을 추가한 점만 제외하고, 나머지 구성요소들은 전술한 제1실시예의 구성요소들과 동일하다. 이에, 본 발명의 제2실시예에 따른 평면배열형 연료전지를 설명함에 있어, 제1실시예에 의한 평면배열형 연료전지와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하면서 그 구성 및 기능의 상세한 설명을 생략하기로 한다.
제2실시예에서, 각각의 제1 셀 프레임(20')과 제2 셀 프레임(20")에는 셀(10)에 공급되는 연료와 산화제 중 하나, 예컨대 산화제가 통과하는 제1 입구공(23)과 제1 출구공(24)이, 그리고 예컨대 연료가 통과하는 제2 입구공(25)과 제2 출구공(26)이 각 윈도우(22)의 주위에 마련되어 있다. 이러한 제2 입구공(25)과 제2 출구공(26)의 배치관계가 도 3에 나타나 있다.
분리판(80)의 일측면(도 10에 도시된 상면)에는 예를 들어 연료를 공급하기 위한 복수의 제3 유로홈부(81)가 형성되어 있고, 타측면(도 11에 도시된 하면)에는 예를 들어 산화제를 공급하기 위한 복수의 제4 유로홈부(82)가 형성된 전기전도성 판재이다. 분리판(80)의 재료로는 예컨대 스테인리스강 등과 같은 금속, 그라파이트, 전기전도성이 있는 복합소재 등이 채용될 수 있다.
이러한 분리판(80)은 적층된 셀들을 전기적으로 연결해 주는 기능과, 연료 또는 산화제가 흐를 수 있는 유로의 기능을 수행하게 된다.
이를 위해 분리판(80)에는 연료와 산화제 중 하나, 예컨대 연료(수소)가 통과하는 제3 유입공(83)과 제3 유출공(84)이 마련되며, 예컨대 산화제가 통과하는 제4 유입공(85)과 제4 유출공(86)이 마련될 수 있다.
또, 각각의 제3 유로홈부(81)는 일측에서 제3 유입공(83)과 연통해 있고, 타측에서 제3 유출공(84)과 연통하고 있다. 각각의 제4 유로홈부(82)는 일측에서 제4 유입공(85)과 연통해 있고, 타측에서 제4 유출공(86)과 연통하고 있다.
분리판(80)에는 복수의 제3 유로홈부(81)가 일측의 동일 평면상에 병렬로 배열되고 복수의 제4 유로홈부(82)가 타측의 동일 평면상에 병렬로 배열되어 있다. 이러한 유로홈부(81, 82)는 셀 프레임의 윈도우(22)의 위치에 상응하게 위치된다. 시스템에서 요구하는 셀의 개수에 맞추어 유로홈부(81, 82)의 개수가 결정될 수 있다. 도 10 및 도 11에는 해당 표면에서 단지 2개씩의 유로홈부를 가진 엔드 플레이트가 예시되어 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 엔드 플레이트의 일면에 3개 이상의 유로홈부가 형성될 수 있다. 또, 이들 유로홈부는 도시된 바와 같이 선형으로 배열되어도 되지만, 격자형으로 배열될 수 있음은 물론이다.
각 유로홈부(81, 82)에는 적정한 개수와 크기의 채널(87)이 형성되어 있어, 연료 또는 산화제의 흐름이 방해 없이 이들 채널(87)에 의해 연료극 또는 공기극에 원활히 공급될 수 있게 된다.
도면들에서는 평행류(co-flow) 형태로 연료나 산화제의 공급이 이루어지는 시스템을 가정하여 각 유로홈부(81, 82)에 평행류 형태의 채널(87)이 형성된 예를 나타내고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않으며 대향류(counter flow) 또는 교차류(cross flow) 형태의 채널도 적용될 수 있다. 또한, 도면들에는 채널(87)이 대부분 일(一)자형으로 형성된 예가 나타나 있지만, 이에 한정되지 않고 연료 또는 산화제의 흐름 조절을 위해 예컨대 지그재그형이나 소용돌이형 등과 같은 다양한 패턴으로 설계될 수 있음은 당연하다.
도시하지는 않았지만, 분리판(80)과 제1 셀 프레임(20') 또는 제2 셀 프레임(20")의 사이에는 밀봉재가 개재될 수 있다. 밀봉재는 연료 또는 산화제가 누출되는 것을 방지하기 위한 것으로, 유리-세라믹(glass ceramic), 유리-충전재 복합재료, 운모(mica) 또는 운모-유리 복합재료, 브레이징재와 같은 고온융착재 등으로 이루어진 군에서 선택된 소재로 만들어질 수 있다. 이와 같은 밀봉재는 부식되지 않는 내식성을 가지며 연료 또는 산화제가 누설되지 않도록 밀폐함과 더불어, 각 셀 프레임(20', 20")과 분리판(80)이 서로 접합되게 할 수 있다.
적어도 하나의 분리판(80)과 복수의 셀 프레임(20', 20"), 제1 및 제2 엔드 플레이트(50, 60)가 매니폴드 헤더(70) 상에 적층된 상태에서 복수의 유로가 형성된다.
보다 구체적으로 설명하면, 매니폴드 헤더(70)의 제1 공급관(71)으로부터 제1 공급공(75), 제1 엔드 플레이트(50)의 제1 유입공(53)과 제1 유로홈부(52) 및 제1 유출공(54), 덧붙여 제1 셀 프레임(20')의 제2 입구공(25), 분리판(80)의 제3 유입공(83)과 제3 유로홈부(81) 및 제3 유출공(84), 제1 셀 프레임(20')의 제2 출구공(26)을 거쳐, 다시 제1 엔드 플레이트(50)의 제1 유출공(54), 그리고 매니폴드 헤더(70)의 제1 배출공(76) 및 제1 배출관(72)까지 연통됨으로써, 예컨대 연료가 셀(10)의 일측에 공급되고 셀(10)로부터의 반응 부산물이 배출될 수 있는 하나의 유로를 형성할 수 있다.
또, 매니폴드 헤더(70)의 제2 공급관(73)으로부터 제2 공급공(77), 제1 엔드 플레이트(50)의 제2 유입공(55)과 제1 셀 프레임(20')의 제1 입구공(23), 분리판(80)의 제4 유입공(85)과 제4 유로홈부(82) 및 제4 유출공(86), 제1 셀 프레임(20')의 제1 출구공(24)과 제1 엔드 플레이트(50)의 제2 유출공(56), 덧붙여 제2 셀 프레임(20")의 제1 입구공(23), 제2 엔드 플레이트(60)의 제2 유로홈부(62), 제2 셀 프레임(20")의 제1 출구공(24)을 거쳐, 다시 분리판(80)의 제4 유출공(86), 제1 셀 프레임(20')의 제1 출구공(24)과 제1 엔드 플레이트(50)의 제2 유출공(56), 그리고 매니폴드 헤더(70)의 제2 배출공(78) 및 제2 배출관(74)까지 연통됨으로써, 예컨대 산화제가 셀(10)의 타측에 공급되고 셀(10)로부터의 반응 부산물이 배출될 수 있는 다른 하나의 유로를 형성할 수 있다.
이들 연료 또는 산화제의 흐름 경로를 살펴보면, 각 엔드 플레이트 또는 분리판의 중앙에서 유입되고 길이방향의 양단 쪽으로 진행하여 유출되는 경향을 보이고 있다. 따라서, 본 발명의 평면배열형 연료전지에서는 셀 간 편차가 없이 균일한 반응이 일어나게 되고, 결국 안정적으로 고출력을 얻을 수 있게 된다.
물론, 연료 또는 산화제의 흐름 경로는 역방향으로, 다시 말해 각 엔드 플레이트 또는 분리판의 양단에서 유입되고 중앙에서 유출되게 진행하도록 설계될 수 있다.
한편, 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60), 이들 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60) 사이에 위치된 복수의 셀 프레임(20', 20") 및 적어도 하나의 분리판(80), 그리고 제1 엔드 플레이트(50)와 제2 엔드 플레이트(60) 중 어느 하나에 결합하는 매니폴드 헤더(70)는 서로 접착제 또는 고정나사에 의해 적층된 채로 고정될 수 있다. 접착제가 사용되는 경우에, 접착제가 밀봉재의 역할을 병행할 수도 있다.
각 엔드 플레이트와 분리판에는 복수의 유로홈부가 일체로 형성되어 구조가 단순화됨으로써 제조가 용이하게 이루어질 수 있기 때문에, 제조 공정 및 생산 원가를 감소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또, 구조가 단순하고 조립공차가 줄어들어 기밀성이 확보됨으로써 제품의 신뢰성이 향상되는 효과도 얻을 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 셀 20: 셀 프레임
30: 연료극 집전체 40: 공기극 집전체
50: 제1 엔드 플레이트 60: 제2 엔드 플레이트
70: 매니폴드 헤더 80: 분리판
90: 인출부

Claims (16)

  1. 연료극과 공기극 및 전해질을 구비한 복수의 셀;
    상기 셀과 상응한 형상을 가진 복수의 윈도우가 배열되어 각 윈도우 내에 셀이 배치되며, 연료 또는 산화제가 통과하는 입구공과 출구공이 마련된 셀 프레임;
    상기 셀의 양측에 각각 적층되는 연료극 집전체와 공기극 집전체;
    상기 셀 프레임의 양측에서 각각 결합하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트; 및
    상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 중 어느 하나에 결합하고, 결합한 엔드 플레이트의 유입공과 유출공에 연통되는 내부 통로를 갖추어 상기 연료와 상기 산화제가 독립적으로 이동하게 하는 매니폴드 헤더
    를 포함하는 평면배열형 연료전지.
  2. 연료극과 공기극 및 전해질을 구비한 복수의 셀;
    상기 셀과 상응한 형상을 가진 복수의 윈도우가 배열되어 각 윈도우 내에 셀이 배치되며, 연료 또는 산화제가 통과하는 입구공과 출구공이 마련된 복수의 셀 프레임;
    상기 셀의 양측에 각각 적층되는 연료극 집전체와 공기극 집전체;
    상기 복수의 셀 프레임 사이에 위치하고, 상기 연료 또는 상기 산화제가 통과하는 유입공과 유출공이 형성된 분리판;
    상기 복수의 셀 프레임 중 양측 최외곽의 셀 프레임에서 상기 분리판의 반대측에 각각 결합하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트; 및
    상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 중 어느 하나에 결합하고, 결합한 엔드 플레이트의 유입공과 유출공에 연통되는 분리된 내부 통로를 갖추어 상기 연료와 상기 산화제가 독립적으로 이동하게 하는 매니폴드 헤더
    를 포함하는 평면배열형 연료전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 윈도우는 선형 또는 격자형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀 프레임에는 상기 셀에 공급되는 상기 연료와 상기 산화제 중 하나가 통과하는 제1 입구공과 제1 출구공이 상기 각 윈도우의 주위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 셀 프레임에는 상기 셀에 공급되는 상기 연료와 상기 산화제 중 하나가 통과하는 제1 입구공과 제1 출구공, 및 다른 하나가 통과하는 제2 입구공과 제2 출구공이 상기 각 윈도우의 주위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 엔드 플레이트의 상기 셀 프레임에 대향하는 면에는 복수의 제1 유로홈부가 형성되어 있고,
    상기 제2 엔드 플레이트의 상기 셀 프레임에 대향하는 면에는 복수의 제2 유로홈부가 형성되어 있으며,
    상기 제1 엔드 플레이트에는, 상기 연료와 상기 산화제 중 하나가 통과하는 제1 유입공과 제1 유출공, 및 다른 하나가 통과하는 제2 유입공과 제2 유출공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트에는 상기 복수의 유로홈부가 동일 평면상에 병렬로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트에서, 상기 유로홈부는 상기 셀 프레임의 윈도우의 위치에 상응하게 위치되는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트에는 전기를 외부로 인출하는 인출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 매니폴드 헤더에는 상기 연료를 공급하는 제1 공급관, 연료극 쪽의 반응 부산물을 배출하는 제1 배출관, 상기 산화제를 공급하는 제2 공급관, 및 공기극 쪽의 반응 부산물을 배출하는 상기 제2 배출관이 연결되는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 매니폴드 헤더에는 분리된 내부 통로들에 의해 각각 상기 제1 공급관에 연통되는 제1 공급공, 상기 제1 배출관에 연통되는 제1 배출공, 상기 제2 공급관에 연통되는 제2 공급공, 및 상기 제2 배출관에 연통되는 제2 배출공이 형성되어 있고,
    상기 제1 공급공은 상기 제1 엔드 플레이트의 제1 유입공에 연결되고, 상기 제1 배출공은 상기 제1 엔드 플레이트의 제1 유출공에 연결되며, 상기 제2 공급공은 상기 제1 엔드 플레이트의 제2 유입공에 연결되고, 상기 제2 배출공은 상기 제1 엔드 플레이트의 제2 유출공에 연결되는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 분리판은 전기전도성이 있는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 분리판의 일측면에는 복수의 제3 유로홈부가 형성되어 있고, 타측면에는 복수의 제4 유로홈부가 형성되어 있으며,
    상기 분리판에는, 연료와 산화제 중 하나가 통과하는 제3 유입공과 제3 유출공이 형성되어 있고, 다른 하나가 통과하는 제4 유입공과 제4 유출공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  14. 제13항에 있어서,
    각각의 상기 제3 유로홈부는 일측에서 상기 제3 유입공과 연통해 있고, 타측에서 상기 제3 유출공과 연통하며,
    각각의 상기 제4 유로홈부는 일측에서 상기 제4 유입공과 연통해 있고, 타측에서 상기 제4 유출공과 연통하는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제3 유입공은 상기 제1 엔드 플레이트의 제1 유입공에 연통되고, 상기 제3 유출공은 상기 제1 엔드 플레이트의 제1 유출공에 연통되며, 상기 제4 유입공은 상기 제1 엔드 플레이트의 제2 유입공에 연통되고, 상기 제4 유출공은 상기 제1 엔드 플레이트의 제2 유출공에 연통되는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 유로홈부는 상기 셀 프레임의 윈도우의 위치에 상응하게 위치되는 것을 특징으로 하는 평면배열형 연료전지.
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