KR20190026180A - 연료전지 스택 - Google Patents

연료전지 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR20190026180A
KR20190026180A KR1020170112592A KR20170112592A KR20190026180A KR 20190026180 A KR20190026180 A KR 20190026180A KR 1020170112592 A KR1020170112592 A KR 1020170112592A KR 20170112592 A KR20170112592 A KR 20170112592A KR 20190026180 A KR20190026180 A KR 20190026180A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
air
waste
path
cell stack
Prior art date
Application number
KR1020170112592A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102227608B1 (ko
Inventor
김대환
최광욱
임상혁
김종우
노태민
박광연
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020170112592A priority Critical patent/KR102227608B1/ko
Publication of KR20190026180A publication Critical patent/KR20190026180A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102227608B1 publication Critical patent/KR102227608B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 폐 공기 및 폐 연료가 배출되는 배출로와 공기 및 연료가 공급되는 공급로를 이중관으로 형성함으로써, 고온의 폐 공기 및 폐 연료와 연료전지 스택에 공급되는 상온의 연료 및 공기 사이에 열교환이 일어나고, 연료전지 스택의 온도 편차를 감소시키는 연료전지 스택에 관한 것이다.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 폐 공기 및 폐 연료가 배출되는 배출로와 공기 및 연료가 공급되는 공급로를 이중관으로 형성함으로써, 고온의 폐 공기 및 폐 연료와 연료전지 스택에 공급되는 상온의 연료 및 공기 사이에 열교환이 일어나고, 연료전지 스택의 온도 편차를 감소시키는 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
예를 들어, 고체 산화물 연료 전지는 수소와 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 양극(공기극)과, 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.
이에 양극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 양극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
하나의 단위 전지와 이의 양쪽에 위치하는 분리판이 하나의 단위 셀을 구성한다. 이러한 단위 셀은 작동 전압이 통상적으로 1.0V 미만으로 공업적으로 응용하기에는 부족하다. 이에 연료 전지는 전압을 상승시킬 수 있도록 단위 셀을 전기적으로 직렬 연결이 되도록 복수로 적층하여 스택(stack)을 형성한다.
상기한 구조의 연료 전지는 작동 원리상 연료와 공기를 지속적으로 공급하여 전기를 생산하기 때문에 분리판에는 유체의 유동을 균일하게 유도하기 위한 통로가 형성되며 이 통로를 따라 연료 및 공기가 흐르게 된다.
연료 전지의 단위 셀에서 일어나는 전기화학반응은 연료기체의 화학에너지 일부를 전기에너지로 전환시킴과 동시에 일부를 열에너지로 전환시키기도 한다. 이 때 열에너지는 단위 셀의 표면에서 고르게 발생하는 것이 아니라 단위 셀의 운전 조건과 기체 유동의 방향 등에 따라 국부적으로 발생량이 상이하다. 또한 이렇게 발생한 열에너지는 유체의 흐름에 의한 대류를 통하여 기체가 흘러나가는 쪽으로 축적되는 경향을 갖는다. 이에 단위 셀 전면에 대해 공기의 출구 쪽에서는 한 단위 셀 상에서 가장 온도가 높은 지점인 열점이 형성되고, 공기의 입구 쪽에는 상대적으로 가장 온도가 낮은 지점인 냉점이 형성된다. 이로 인해 스택을 구성하는 각각의 단위 셀에는 유체의 흐름 방향으로 온도 구배가 형성되는 문제점이 발생하였다. 이러한 온도 불균일은 성능과 장기 내구성에 영향을 미치며, 이때 주입되는 유체의 온도가 작동온도에 비하여 현저히 낮은 경우 이러한 문제점을 더욱 심화시키게 된다.
이에, 스택의 평균온도 저하 없이 스택 내부에 형성되는 온도 구배를 최소화함으로써, 스택의 신뢰성을 제고하고 성능 및 수명을 증진시킬 수 있는 연료전지 스택이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제10-1407937호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 배출로와 공급로가 이중관으로 형성됨으로써, 연료 공급로 및 공기 공급로로 공급되는 연료 및 공기의 온도는 승온되고, 연료 배출로 및 공기 배출로를 통해 배출되는 폐 연료 및 폐 공기의 온도는 감온되는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
또한, 연료전지 스택 하부에 폐 연료/공기 챔버를 형성함으로써, 연료전지 스택 하측부의 온도를 승온시켜 연료전지 스택의 층간 온도 구배를 감소시키는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 하나 이상의 단전지가 적층된 적층 구조체; 상기 적층 구조체에 연료를 공급하는 연료 공급로(Fule inlet); 상기 적층 구조체에서 폐 연료를 배출하는 연료 배출로(Fule outlet); 상기 적층 구조체에 공기를 공급하는 공기 공급로(Air inlet); 및 상기 적층 구조체에서 폐 공기를 배출하는 공기 배출로(Air outlet);을 포함하고, 상기 공기 배출로 및 상기 연료 배출로 중 어느 하나 이상은, 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로 중 어느 하나 이상과 이중관으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 이중관은, 상기 공기 및 연료 배출로 중 어느 하나 이상의 일측 및 타측에 상기 연료 및 공기 공급로 중 어느 하나 이상이 접촉면을 형성하며 위치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 이중관은, 상기 연료 및 공기 배출로 중 어느 하나가 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로 중 어느 하나 이상의 외측을 감싸는 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 이중관은, 상기 연료 및 공기 배출로 내부에 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로가 이격되게 위치되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택은, 상기 폐 연료 및 상기 폐 공기 중 어느 하나 이상을 저장하고, 상기 이중관에 공급하는 폐 연료/공기 챔버;를 더 포함하고, 상기 폐 연료/공기 챔버는, 상기 연료 배출로 일측, 상기 공기 배출로 일측 및 상기 적층 구조체 하부 중 어느 하나에 위치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 이중관은, 상기 공급 배출로 및 상기 연료 배출로를 통해 배출되는 상기 폐 공기 및 상기 폐 연료의 열이 상기 연료 공급로 혹은 상기 공기 공급로로 전달되어 상기 연료 혹은 상기 공기의 온도를 승온시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로를 통해 공급되는 상기 연료 및 상기 공기의 온도는 500℃ 이상 승온되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료 공급로는, 직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공기 공급로는, 직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로의 연료 및 공기 흐름 방향과 상기 연료 배출로 및 상기 공기 배출로의 상기 폐 연료 및 상기 폐 공기 흐름 방향이 반대 방향인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배출로와 공급로가 이중관으로 형성됨으로써, 공급되는 연료 및 공기와 배출되는 폐 공기 사이 열교환이 일어나고, 연료전지 스택의 열점 및 냉점은 연료전지 작동온도와 동일해져 온도 구배가 최소화되는 효과가 발생하게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 스택 하부에 폐 공기 및 폐 연료를 저장할 수 있는 스택이 형성됨으로써, 폐 공기 및 폐 연료의 온도를 이용하여 연료전지 스택 하부의 온도를 승온시켜 연료전지 스택의 층간 온도 구배를 최소화시키는 효과가 발생하게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 온도 구배가 최소화됨으로써, 연료전지 스택의 열화 속도가 감소하는 효과가 발생하게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 각 구성요소의 열팽창 차이가 최소화되어 구성요소의 파괴나 기체의 누설 등이 일어나지 않아 스택의 신뢰성이 향상되는 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중관을 도시한 사시도이다.
도 7(a)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중관을 도시한 사시도이고, 도 7(b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중관의 단면도이다.
도 8(a)는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이중관을 도시한 사시도이고, 도 8(b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중관의 단면도이다.
도 9은 본 발명에 따른 이중관을 도시한 단면도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<연료전지 스택>
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중관(60, 60', 60")을 도시한 사시도 및 단면도이고, 도 9은 본 발명에 따른 이중관을 도시한 단면도이다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 적층 구조체(10), 연료 공급로(20), 연료 배출로(30), 공기 공급로(40) 및 공기 배출로(50)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 적층 구조체(10)는 하나 이상의 단전지가 적층되어 제공되는 것으로, 단위셀, 윈도우 프레임 및 인터커넥터가 포함될 수 있다.
우선, 단위셀은 연료전지 스택에 전기를 발생시키는 역할을 할 수 있고, 산소이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면의 연료극과 공기극으로 구성된다. 연료극에 연료를 공급해주면 연료가 산화되어 전자가 외부회로를 통하여 방출되고, 공기극에 산소를 공급해주면 외부회로로부터 전자를 받아서 산소이온으로 환원된다. 환원된 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 산화된 연료와 반응하여 물을 생성한다. 이 때 연료극에서 공기극으로의 전자 흐름으로 직류 전기를 생산하게 된다. 단위셀은 전해질 자립막식, 음극 지지체식 및 다공성지지체 세 가지 구조를 가질 수 있다.
윈도우 프레임은 공기극 및 연료극 인터커넥터를 통해 유입되는 산소와 수소가 단위셀로 유입되는 것을 방지하고, 연료전지 스택 작동 중 산소와 수소가 서로 섞이지 않도록 하는 역할을 한다. 또한, 공기극 및 연료극 인터커넥터를 통해 유입되는 산소와 수소가 연료전지 스택 내부에서 유동될 수 있게 유로가 형성될 수 있다.
인터커넥터는 공기가 공급되는 공기극 인터커넥터와 연료가 공급되는 연료극 인터커넥터로 나눠질 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 단위셀이 두 개 이상 적층되어 형성되는 적층 구조체(10)에서, 인터커넥터는 적층된 두 개이상의 단위셀들을 전기적으로 연결해 주는 역할을 함과 동시에 연료극과 공기극에 공급되는 두 종류의 가스가 혼합되지 않고 단위셀에 균일하게 공급될 수 있도록 유로가 형성될 수 있다.
공기극 인터커넥터 및 연료극 인터커넥터에 형성된 유로는 요철 구조로써 공기극 및 연료극 인터커넥터 상면 및 하면 중 어느 하나에 형성될 수 있다. 또한, 공기극 인터커넥터에 형성된 유로와 연료극 인터커넥터에 형성된 유로는 수직한 방향으로 형성되어 서로 연통되지 않는 것에 유의한다.
예를 들어, 공기 유로가 수직 방향으로 형성될 경우, 공기극 인터커넥터를 통해 공급된 산소는 공기극의 수직 방향으로 이동될 수 있고, 연료 유로가 수평 방향으로 형성될 경우, 연료극 인터커넥터를 통해 공급된 수소는 연료극의 수평 방향으로 이동될 수 있다.
단위셀이 하나 이상 적층됨으로써 형성되는 연료전지 스택에서 단위셀과 단위셀 사이에 위치되는 인터커넥터는 분리판 역할을 할 수 있다.
연료 공급로(20)는 음극에 연료 가스를 공급하는 경로이고, 연료 배출로(30)는 음극과 반응하지 않은 연료 가스를 배출하는 경로이다.
그리고, 공기 공급로(40)는 양극에 공기를 공급하는 경로이고, 공기 배출로(30)는 양극과 반응하지 않은 공기를 배출하는 경로이다.
예를 들어, 적층 구조체(10)의 단위셀이 고체 산화물 연료전지일 경우, 연료 공급로(20)를 통해 수소가 공급되고, 수소와 음극이 반응하여 전자를 생성하며, 생성된 전자는 전해질을 통해 양극으로 이동하여 연료전지의 전류를 생성할 수 있다. 그리고, 음극과 반응하지 않은 폐 수소 가스는 연료 배출로(30)를 통해 배출될 수 있다.
나아가, 공기 공급로(40)를 통해 공급된 산소는 양극과 반응하여 수소 이온을 생성하고, 생성된 수소 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동하여 전자를 잃은 수소 이온과 화학반응을 통해 반응 생성물을 생성할 수 있다. 그리고, 반응 생성물과 양극과 반응하지 않은 폐 공기는 공기 배출로(50)를 통해 배출될 수 있다.
이때, 단위셀에서 일어나는 전기화학반응은 연료기체의 화학에너지 일부를 전기에너지로 전환시킴과 동시에 일부를 열에너지로 전환될 수 있다. 따라서, 연료 및 공기 공급로(20, 40)를 통해 공급된 연료 및 공기가 음극 및 양극 인터커넥터의 유로를 통해 음극 및 양극과 접촉된 후 연료 및 공기 배출로(30, 50)를 통해 배출됨으로써, 폐 연료 및 폐 공기는 온도가 증가될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 연료 공급로(20), 연료 배출로(30), 공기 공급로(40) 및 공기 배출로(50)는 이중관(60)으로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 연료 공급로(20) 상부 및 하부에 공기 배출로(50)가 위치되어 이중관(60)을 형성할 수 있다. 공기 배출로(50)를 통해 배출되는 공기의 온도는 연료 공급로(20)를 통해 공급되는 연료보다 높은 온도로 배출됨으로, 공급되는 연료와 폐 공기 간 열교환이 일어날 수 있다.
연료 공급로(20)와 공기 배출로(50)가 이중관(60)으로 형성됨으로써, 연료 공급로(20) 상부 및 하부에서 열교환이 일어나게 되고, 짧은 시간 안에 공급되는 연료의 온도가 연료전지 작동온도, 약 500℃ 이상 승온될 수 있다. 따라서, 연료 공급로(20)의 배관 길이를 짧게 제공함으로써, 짧은 시간 안에 연료를 목표 온도까지 승온 가능하여 공간 효율성이 증가하는 효과가 발생할 수 있다.
또한, 공급되는 연료는 온도가 승온되고, 폐 공기의 온도는 감온되어 연료전지 스택에 발생되는 열점 및 냉점의 온도 차를 감소시키며, 스택 내부에 형성되는 온도 구배가 감소되어 연료전지 스택의 각 구성요소의 열팽창 차이가 감소되어 구성요소의 파괴나 기체의 누설 등의 문제를 방지하여 스택의 신뢰성이 증가하는 효과가 발생할 수 있다.
공급되는 연료와 폐 공기의 열교환에 의해 폐 공기의 온도가 감온될 수 있으나, 감온되는 최소 온도는 연료전지의 작동온도 이상임으로 연료전지 스택의 평균온도가 감소되지 않아 연료전지의 반응 속도의 감소는 발생하지 않는다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 이중관(60)은 공기 공급로(40) 상부 및 하부에 공기 배출로(50)가 위치되어 형성될 수 있다. 폐 공기가 공기 공급로(40)로 공급되는 공기의 온도를 승온시켜 연료전지 스택의 온도 구배를 감소시킬 수 있다. 또한, 이중관(60) 구조에 의해 폐 공기의 온도 감소가 발생됨으로 열점의 온도가 연료전지 스택의 모든 구성요소의 내열 온도보다 감소되나 연료전지의 작동온도 이하로 감소되지 않아 반응 속도의 감소를 방지할 수 있다.
그리고, 도 3을 참고하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택은 연료 및 공기 공급로(20, 40)의 상부 및 하부에 공기 배출로(50)가 위치되어 이중관(60)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 이중관(60)은 공기 배출로(50), 연료 공급로(20), 공기 배출로(50), 공기 공급로(40), 공기 배출로(50) 순으로 적층되어 형성될 수 있다. 즉, 연료 공급로(20) 및 공기 공급로(40)를 기준으로 두 개의 이중관(60)이 형성될 수 있다. 폐 공기의 온도를 이용하여 연료전지에 공급되는 연료 및 공기를 가열함으로써, 연료 및 공기 공급로(20, 40)를 가열하기 위해 추가 구성이 필요하지 않고, 짧은 연료 및 공기 공급로(20, 40)를 이용하여 연료 및 공기를 가열함으로써, 공간을 효율적으로 사용할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 연료전지 스택은 도 1 내지 도 3에 한정되지 않고, 연료 배출로(30)가 적용될 수 있다.
나아가, 도 1 내지 도 3에 따른 연료 공급로(20), 공기 공급로(30), 연료 배출로(40) 및 공기 배출로(50)는 적층 구조체(10)의 상부에 형성되나, 본 발명에 따른 연료 공급로(20), 공기 공급로(30), 연료 배출로(40) 및 공기 배출로(50)는 도면에 한정되지 않고, 적층 구조체(10)의 하부에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 스택의 이중관은 다양한 형태로 제공될 수 있는데, 우선, 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중관(60)은 연료 공급로(20)의 일측 및 타측에 공기 배출로(50)가 위치될 수 있고, 이때, 연료 공급로(20)와 공기 배출로(50)는 접촉면을 형성할 수 있다. 아울러, 본 발명에 따른 이중관(60)은 도 6에 한정되지 않고, 연료 공급로(20)의 일측 및 타측에 연료 배출로가 위치되거나, 공기 공급로의 일측 및 타측에 연료 배출로가 위치되거나, 공기 공급로의 일측 및 타측에 공기 배출로가 위치될 수 있다. 그리고, 이중관(60)은 직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다. 이중관(60)이 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성될 경우, 직관형 보다 공급로 및 배출로가 접촉되는 면이 증가되어 열교환이 더 원활한 효과가 발생할 수 있다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중관(60')은 공기 배출로(50)가 연료 공급로(20)외 외측을 감싸는 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 연료 공급로(20) 외측면은 공기 배출로(50)를 통해 배출되는 폐 공기와 접촉면을 형성할 수 있다. 여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중관(60')은 도 7에 한정되지 않고, 연료 공급로(20) 외측에 연료 배출로가 형성되거나, 공기 공급로 외측에 공기 배출로(50)가 형성되거나, 공기 공급로 외측에 연료 배출로가 형성될 수 있다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 이중관(60")은 공기 배출로(50)의 내부에 연료 공급로(20) 및 공기 공급로(40)가 이격되게 위치될 수 있다. 연료 공급로(20)와 공기 공급로(40) 사이 이격된 공간을 통해 폐 공기가 배출됨으로써, 연료 및 공기 공급로(20, 40)의 모든 외측면은 폐 공기와 접촉될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중관(60")은 도 8에 한정되지 않고, 연료 및 공기 공급로(20, 40)가 이격되어 위치되고, 연료 배출로가 연료 및 공기 공급로(20, 40)를 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.
도 7 및 도 8에 따른 이중관(60', 60")은 이중관(60', 60") 내부에 위치되는 연료 및 공기 공급로(20, 40)가 직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 제공될 수 있다. 와선형, 코일형 및 핀형의 경우, 직관형 보다 연료전지 스택에 공급되는 연료 및 공기가 폐 공기 및 폐 연료와 열교환될 수 있는 접촉면이 증가하여 공급되는 연료 및 공기가 작동온도까지 승온되는 시간을 감소시켜주는 효과가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 이중관은 연료 및 공기 공급로를 통해 유동되는 연료 및 공기와 연료 및 공기 배출로를 통해 유동되는 폐 연료 및 폐 공기는 흐름 방향이 반대일 수 있다. 도 9를 참고하면, 이중관(60)이 연료 공급로(20)와 공기 배출로(50)로 형성될 수 있는데, 이때, 연료와 폐 공기는 반대 방향으로 유입 및 배출될 수 있다.
따라서, 연료전지 스택에 공급되는 연료 및 공기와 열교환되는 폐 연료 및 폐 공기의 온도는 항상 고온의 조건으로 제공될 수 있다. 즉, 공급되는 연료 및 공기와 열교환이 일어난 폐 연료 및 폐 공기는 연료 및 공기와 반대 방향으로 흘러가 외부로 배출되고, 연료 및 공기는 연료전지에서 배출되는 새로운 폐 연료 및 폐 공기와 접촉되게 된다. 따라서, 연료전지 스택에 공급되는 연료 및 공기와 열교환되는 폐 연료 및 폐 공기는 일정한 온도를 유지하게 되고, 공급되는 연료 및 공기가 승온되는 시간이 감소되어 공급로의 배관 길이를 짧게 형성할 수 있다. 그리고, 연료전지 스택에 공급되는 연료 및 공기의 온도가 승온됨으로써, 연료전지 스택의 열점 온도가 연료전지 스택의 모든 구성요소의 내열 온도보다 감소되나 연료전지의 작동온도 이하로 감소되지 않아 반응 속도의 감소를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 폐 연료/공기 저장부(70)를 더 포함할 수 있다. 폐 연료/공기 스택(70)는 연료전지 스택에서 배출되는 폐 연료 및 폐 공기 중 어느 하나 이상을 저장한 후, 이중관(60)에 공급해주는 역할을 할 수 있다. 따라서, 공급로(40) 상부 및 하부 혹은 내측 및 외측에 위치되는 배출로(50) 각각에 폐 연료 및 폐 공기를 일정하게 공급해 줄 수 있다.
폐 연료/공기 스택(70)은 이중관(60)의 일측 및 적층 구조체(10) 하부 중 어느 하나에 위치될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 도 4를 참고하면, 폐 연료/공기 스택(70)이 이중관(60) 혹은 공기 배출로(50)일측에 위치되어, 공기 배출로(50)를 통해 배출되는 폐 공기를 저장한 후, 폐 연료/공기 스택(70) 타측에 형성된 이중관(60)의 연료 공급로(20) 상부 및 하부에 위치된 공기 배출로(50) 각각에 폐 공기를 일정하게 공급할 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 도 5를 참고하면, 폐 연료/공기 스택(70)은 적층 구조체(10) 하부에 위치될 수 있다. 여기서, 공기 공급로(40)는 폐 연료/공기 프택(70) 내부를 통해 적층 구조체로 공기를 공급할 수 있고, 공기 배급로(50)는 폐 연료/공기 스택(70)의 일측으로 폐 공기를 배출하고, 폐 공기는 폐 연료/공기 스택(70)의 온도를 상승시킨 후, 타측을 통해 이중관(60)으로 배출될 수 있다.
폐 연료/공기 스택(70)이 적층 구조체(10) 하부에 위치됨으로써, 연료전지 스택은 하층부를 통해 상온의 연료 및 공기가 공급되어 연료전지 스택의 하부의 온도는 작동 온도 이하로 감소되는 것을 방지할 수 있고, 따라서, 연료전지 스택의 온도 구배를 감소시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 적층 구조체
20: 연료 공급로
30: 연료 배출로
40: 공기 공급로
50: 공기 배출로
60, 60', 60": 이중관
70: 폐 연료/공기 저장부

Claims (10)

  1. 하나 이상의 단전지가 적층된 적층 구조체;
    상기 적층 구조체에 연료를 공급하는 연료 공급로(Fule inlet);
    상기 적층 구조체에서 폐 연료를 배출하는 연료 배출로(Fule outlet);
    상기 적층 구조체에 공기를 공급하는 공기 공급로(Air inlet); 및
    상기 적층 구조체에서 폐 공기를 배출하는 공기 배출로(Air outlet);을 포함하고,
    상기 공기 배출로 및 상기 연료 배출로 중 어느 하나 이상은,
    상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로 중 어느 하나 이상과 이중관으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이중관은,
    상기 공기 및 연료 배출로 중 어느 하나 이상의 일측 및 타측에 상기 연료 및 공기 공급로 중 어느 하나 이상이 접촉면을 형성하며 위치되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이중관은,
    상기 연료 및 공기 배출로 중 어느 하나가 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로 중 어느 하나 이상의 외측을 감싸는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이중관은,
    상기 연료 및 공기 배출로 내부에 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로가 이격되게 위치되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은,
    상기 폐 연료 및 상기 폐 공기 중 어느 하나 이상을 저장하고, 상기 이중관에 공급하는 폐 연료/공기 챔버;를 더 포함하고,
    상기 폐 연료/공기 챔버는,
    상기 연료 배출로 일측, 상기 공기 배출로 일측 및 상기 적층 구조체 하부 중 어느 하나에 위치되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이중관은,
    상기 공급 배출로 및 상기 연료 배출로를 통해 배출되는 상기 폐 공기 및 상기 폐 연료의 열이 상기 연료 공급로 혹은 상기 공기 공급로로 전달되어 상기 연료 혹은 상기 공기의 온도를 승온시키는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로를 통해 공급되는 상기 연료 및 상기 공기의 온도는 500℃ 이상 승온되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급로는,
    직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 공기 공급로는,
    직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로의 연료 및 공기 흐름 방향과 상기 연료 배출로 및 상기 공기 배출로 의 상기 폐 연료 및 상기 폐 공기 흐름 방향이 반대 방향인 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
KR1020170112592A 2017-09-04 2017-09-04 연료전지 스택 KR102227608B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170112592A KR102227608B1 (ko) 2017-09-04 2017-09-04 연료전지 스택

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170112592A KR102227608B1 (ko) 2017-09-04 2017-09-04 연료전지 스택

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190026180A true KR20190026180A (ko) 2019-03-13
KR102227608B1 KR102227608B1 (ko) 2021-03-12

Family

ID=65761869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170112592A KR102227608B1 (ko) 2017-09-04 2017-09-04 연료전지 스택

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102227608B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114256479A (zh) * 2020-09-22 2022-03-29 国家能源投资集团有限责任公司 燃料电池及其控制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000306593A (ja) * 1999-04-21 2000-11-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池モジュール
KR100774465B1 (ko) * 2005-12-05 2007-11-08 엘지전자 주식회사 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치
JP2012244982A (ja) * 2011-05-31 2012-12-13 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 二酸化炭素有効利用装置
KR101407937B1 (ko) 2012-09-28 2014-06-17 한국에너지기술연구원 균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000306593A (ja) * 1999-04-21 2000-11-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池モジュール
KR100774465B1 (ko) * 2005-12-05 2007-11-08 엘지전자 주식회사 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치
JP2012244982A (ja) * 2011-05-31 2012-12-13 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 二酸化炭素有効利用装置
KR101407937B1 (ko) 2012-09-28 2014-06-17 한국에너지기술연구원 균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114256479A (zh) * 2020-09-22 2022-03-29 国家能源投资集团有限责任公司 燃料电池及其控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102227608B1 (ko) 2021-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7326485B2 (en) Fuel cell with a seal tightly in contact with an electrode for preventing leakage of a reactant gas
US10141586B2 (en) Fuel cell module, combined power generation system including the same, and temperature control method of fuel cell power generation section
JP2016516129A (ja) 加熱器が一体化されたｓｏｅｃスタック
KR102055951B1 (ko) 연료 전지용 스택 구조물
JP2007157724A (ja) 固体酸化物燃料電池モジュール、及びこれを利用した燃料電池並びにその製作方法
JP4513281B2 (ja) 燃料電池
KR101238886B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 스택
JP4544055B2 (ja) 燃料電池
KR20190026180A (ko) 연료전지 스택
KR102375635B1 (ko) 연료 전지 스택 조립체
JP2007005134A (ja) 水蒸気発生器および燃料電池
KR20200072201A (ko) 공냉식 연료전지 스택 및 이를 포함한 공기 공급 시스템
KR101542970B1 (ko) 연료 전지 스택
JP5226521B2 (ja) 密閉された燃料電池の積層体
KR20130039514A (ko) 고체산화물 연료전지 스택
JP6379859B2 (ja) 燃料電池及び燃料電池システム
KR102495975B1 (ko) 가스 분배 모듈 및 이를 구비하는 연료전지 시스템
KR20160075987A (ko) 평면배열형 연료전지
JP2008021438A (ja) 燃料電池用ガス供給ヘッダ及び燃料電池発電システム
JP2007317525A (ja) Ｓｏｆｃセルスタック
KR20160082712A (ko) 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택
KR20170003268A (ko) 연료전기 스택
JP2016038975A (ja) 燃料電池セルスタック
KR101716657B1 (ko) 고출력밀도 연료전지용 분리판
KR20050108431A (ko) 연료 전지용 스택 및 연료 전지 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant