KR20200072201A - 공냉식 연료전지 스택 및 이를 포함한 공기 공급 시스템 - Google Patents
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Abstract
전해질막과 전해질막 양면에 위치된 전극을 포함하는 막-전극 접합체; 막-전극 접합체의 일면에 위치되고, 막-전극 접합체와의 사이에서 수소가 유동되도록 수소 유로가 형성된 애노드 분리판; 및 막-전극 접합체의 타면에 위치되고, 일면에는 막-전극 접합체와의 사이에서 반응용 공기가 유동되도록 반응공기 유로가 형성되며, 타면에는 냉각용 공기가 유동되는 냉각 유로가 형성된 캐소드 분리판;을 포함하는 공냉식 연료전지 스택이 소개된다.
Description
본 발명은 공냉식 연료전지 스택 및 이를 포함한 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로는 공기에 의해 연료전지 스택을 냉각시키는 연료전지 스택의 구조와 이를 포함한 공기 공급 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자 제품, 휴대기기의 전력을 공급하는 데에도 이용될 수 있다.
특히, 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에서는 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 막전극접합체는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성된다.
연료전지는 내부에서 전기화학반응을 통하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소공급계, 연료전지 스택에 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기공급계 및 기타 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하는 냉각계 등을 포함한다.
일반적으로, 연료전지 스택을 냉각하는 냉각계는 냉매로 물을 이용하는 수냉식 냉각방법이 많이 쓰이지만, 냉각수 공급을 위한 펌프, 이온제거기, 열교환기 등의 장치가 필요하게 되며, 이로 인하여 연료전지 시스템 제조 비용의 상승을 초래하는 원인이 된다. 이를 해결하기 위하여, 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공냉식 냉각방법이 사용된다.
종래의 공냉식 연료전지 스택은 연료전지 스택의 반응용 공기와 냉각용 공기를 캐소드(Cathode) 채널로 동시에 공급하는 방식을 이용하였다. 그러나 반응면으로의 산소 공급을 냉각과 동시에 수행하는 방식의 경우, 대기의 온도가 상승하여 냉각을 위해 캐소드 채널로 공기가 다량 주입됨에 따라 막전극접합체의 수분이 증발되어 셀 성능이 악화되는 문제가 발생하였다. 즉, 대기의 온도에 의해 외부 공기 공급에 따른 연료전지 스택의 셀 성능이 악화되는 문제가 발생되었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 반응용 공기를 공급하는 공기 공급 채널과 연료전지 스택을 냉각하는 냉각 채널이 분리된 연료전지 스택의 구조를 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공냉식 연료전지 스택은 전해질막과 전해질막 양면에 위치된 전극을 포함하는 막-전극 접합체; 막-전극 접합체의 일면에 위치되고, 막-전극 접합체와의 사이에서 수소가 유동되도록 수소 유로가 형성된 애노드 분리판; 및 막-전극 접합체의 타면에 위치되고, 일면에는 막-전극 접합체와의 사이에서 반응용 공기가 유동되도록 반응공기 유로가 형성되며, 타면에는 냉각용 공기가 유동되는 냉각 유로가 형성된 캐소드 분리판;을 포함한다.
막-전극 접합체의 일면과 애노드 분리판 사이에 위치되어 막-전극 접합체의 일면과 접하는 제1가스확산층; 및 막-전극 접합체의 타면과 캐소드 분리판 사이에 위치되어 막-전극 접합체의 타면과 접하는 제2가스확산층;를 더 포함할 수 있다.
반응공기 유로 및 냉각 유로는 캐소드 분리판의 일부가 요철 형상으로 절곡되어 형성될 수 있다.
냉각 유로는 냉각용 공기가 반응공기 유로 또는 수소 유로의 유동 방향과 교차되는 방향으로 유동되도록 형성될 수 있다.
냉각 유로는 냉각용 공기가 측방으로 번갈아가면서 유동되도록 물결 형상의 곡선으로 절곡될 수 있다.
캐소드 분리판은 상대적으로 길이가 짧은 단변과 상대적으로 길이가 긴 장변을 갖는 직사각형 형상이고, 냉각 유로는 냉각용 공기가 캐소드 분리판의 단변과 나란한 방향으로 유동되도록 형성될 수 있다.
반응공기 유로는 반응용 공기가 캐소드 분리판의 장변과 나란한 방향으로 유동되도록 형성될 수 있다.
애노드 분리판 및 캐소드 분리판에는 애노드 분리판과 막-전극 접합체 사이로 공급되는 수소가 유동되는 수소 매니폴드 및 캐소드 분리판과 막-전극 접합체 사이로 공급되는 반응용 공기가 유동되는 공기 매니폴드가 형성될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공냉식 연료전지 스택을 포함한 공기 공급 시스템은 전해질막과 전해질막 양면에 위치된 전극을 포함하는 막-전극 접합체, 막-전극 접합체의 일면에 위치되고 막-전극 접합체와의 사이에서 수소가 유동되도록 수소 유로가 형성된 애노드 분리판 및 막-전극 접합체의 타면에 위치되고 일면에는 막-전극 접합체와의 사이에서 반응용 공기가 유동되도록 반응공기 유로가 형성되며 타면에는 냉각용 공기가 유동되는 냉각 유로가 형성된 캐소드 분리판이 포함된 단위셀이 복수 개로 적층된 공냉식 연료전지 스택; 캐소드 분리판과 막-전극 접합체 사이로 공급되는 반응용 공기를 공급하는 반응용 공기 공급부; 및 캐소드 분리판과 다른 단위 셀의 애노드 분리판 사이로 냉각용 공기를 공급하는 냉각용 공기 공급부;를 포함한다.
반응용 공기 공급부 및 냉각용 공기 공급부에 연결되어 외부의 공기를 공급하는 공기 공급 장치; 및 공기 공급 장치에서 반응용 공기 공급부와 냉각용 공기 공급부로 분기되는 위치에 공기의 유량을 조절하는 조절장치;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 연료전지 스택의 반응용 공기와 냉각용 공기를 별도로 유동시키는 구성을 가지는 것으로, 이에 따라 연료전지 스택의 반응량 및 냉각량을 별도로 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 외부 공기의 온도에 따른 냉각량 제어에 따라 막-전극 접합체에 드라이아웃(Dry-out) 또는 플러딩(Flooding)이 발생하는 문제를 해결함으로써 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1 내지 2는 종래 기술에 따른 캐소드 분리판을 도시한 것이고, 도 3은 종래 기술에 따른 결합된 상태의 단위셀을 도시한 것이다.
도 4 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 분리판을 도시한 것이고, 도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합된 상태의 단위셀을 도시한 것이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀이 적층된 연료전지 스택을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택을 포함한 공기 공급 시스템을 도시한 것이다.
도 4 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 분리판을 도시한 것이고, 도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합된 상태의 단위셀을 도시한 것이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀이 적층된 연료전지 스택을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택을 포함한 공기 공급 시스템을 도시한 것이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1 내지 2는 종래 기술에 따른 캐소드 분리판(10)을 도시한 것이고, 도 3은 종래 기술에 따른 결합된 상태의 단위셀을 도시한 것이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 종래 기술에 따른 캐소드 분리판(10)은 반응면인 막-전극 접합체(30) 측으로 하나의 공기 공급 채널(11)이 형성된다. 구체적으로, 캐소드 분리판(10)과 막-전극 접합체(30) 사이로 공기를 공급하는 공기 공급 채널(11)은 반응용 공기와 냉각용 공기를 분리하지 않고, 같은 공간으로 한꺼번에 공급하는 것이다.
즉, 도 1에 도시한 것과 같이 캐소드 분리판(10)의 일면에는 막-전극 접합체(30)와의 사이로 반응용 공기와 냉각용 공기를 한꺼번에 공급하는 공기 공급 채널(11)이 형성되고, 캐소드 분리판(10)의 타면에는 공기 공급 채널(11)이 형성되지 않는다. 캐소드 분리판(10)의 타면에는 인접한 단위셀의 애노드 분리판(40)이 위치된다.
이에 따라, 종래 기술에 따른 공냉식 연료전지 스택은 수냉식 연료전지 스택과 상이하게 냉각수 채널이 별도로 형성되지 않고, 막-전극 접합체(30)에서 반응에 이용되는 공기량의 50~100배에 해당하는 냉각용 공기와 막-전극 접합체(30)에서 반응에 이용되는 공기량의 2~3배에 해당하는 반응용 공기를 공기 공급 채널(11)로 동시에 공급한다.
또한, 이에 따라 공기는 공기 공급 채널(11)로 공급됨에 따라, 캐소드 분리판(10) 및 애노드 분리판(40)에는 수소 매니폴드(20)만이 형성되고, 공기 매니폴드는 별도로 형성되지 않는다.
다만, 이에 따르면 연료전지 스택의 반응량 및 냉각량을 별도로 제어할 수 없어 효율적인 제어가 불가능한 문제가 있고, 외부 공기의 온도에 따라 막-전극 접합체(30)에 드라이아웃(Dry-out) 또는 플러딩(Flooding)이 발생하여 연료전지 스택의 성능에 영향을 미치는 문제가 발생하였다.
도 4 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 분리판(100)을 도시한 것이고, 도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합된 상태의 단위셀을 도시한 것이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀이 적층된 연료전지 스택을 도시한 것이다.
도 4 내지 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택은 전해질막과 전해질막 양면에 위치된 전극을 포함하는 막-전극 접합체(300); 막-전극 접합체(300)의 일면에 위치되고, 막-전극 접합체(300)와의 사이에서 수소가 유동되도록 수소 유로(미도시)가 형성된 애노드 분리판(200); 및 막-전극 접합체(300)의 타면에 위치되고, 일면에는 막-전극 접합체(300)와의 사이에서 반응용 공기가 유동되도록 반응공기 유로(110)가 형성되며, 타면에는 냉각용 공기가 유동되는 냉각 유로(120)가 형성된 캐소드 분리판(100);을 포함한다.
연료전지 스택은 수소 가스와 산소 가스를 이용하여 전기 화학적으로 전기를 생산하는 장치로서, 외부에서 연속적으로 공급되는 수소 및 공기를 전기화학 반응에 의하여 직접 전기에너지와 열에너지로 변환시킨다.
이러한 연료전지는 산화전극에서의 산화반응 및 환원전극에서의 환원반응을 이용하여 전력을 생성하는데, 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위해 백금 또는 백금-루테늄 금속 등을 포함하는 촉매층과 고분자 전해질막으로 구성된 막-전극 접합체(300)(MEA: Membrane Electrode Assembly)가 사용되며 막-전극 접합체(300) 양단으로 전도성 물질의 분리판이 체결되어 단위셀(Unit Cell) 구조를 형성한다.
연료전지의 단위셀은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개 내지 수백개의 단위셀을 적층하여 연료전지 스택(Stack)으로 사용한다. 단위셀의 적층 시, 각각의 단위 셀 간에 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 분리판이다.
분리판은 흑연 또는 금속 박판으로 제작될 수 있다. 금속 분리판은 전면에서 배면으로 스탬핑 공정에 의해 돌출되어 형성되고, 금속 분리판의 배면에 돌출된 반응가스 유로 사이의 영역을 활용하여 형성된다. 이렇게 형성된 유로의 구조는 반응가스가 금속 분리판의 전면 상에서 유동하도록 한다. 이러한 점에서 금속 분리판의 전면을 반응가스 유동면으로 지칭하기도 한다.
즉, 막-전극 접합체(300)의 양면에는 애노드 분리판(200) 및 캐소드 분리판(100)이 위치된다. 막-전극 접합체(300)와 애노드 분리판(200) 사이에는 수소가 유동되고, 막-전극 접합체(300)와 캐소드 분리판(100) 사이에는 반응용 공기가 유동된다. 막-전극 접합체(300)에서는 수소와 반응용 공기가 반응하여 전기 에너지 및 열 에너지를 발생시킨다.
애노드 분리판(200)에는 막-전극 접합체(300)의 일면과의 사이에서 수소가 유동되는 수소 유로(미도시)가 형성된다. 캐소드 분리판(100)의 일면에는 막-전극 접합체(300)의 타면과의 사이에서 반응용 공기가 유동되는 반응공기 유로(110)가 형성된다.
추가로, 본 발명에 따르면 캐소드 분리판(100)의 타면에는 냉각용 공기가 유동되는 냉각 유로(120)가 형성된다. 캐소드 분리판(100)의 타면은 인접한 단위셀의 애노드 분리판(200)과 맞닿는 면으로 인접한 단위셀의 애노드 분리판(200)과의 사이에 냉각용 공기가 유동되어 연료전지 스택을 냉각시킨다.
이에 따라, 본 발명에 따르면 연료전지 스택의 반응용 공기와 냉각용 공기를 별도로 유동시키는 구성을 가지는 것으로, 이에 따라 연료전지 스택의 반응량 및 냉각량을 별도로 제어할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 외부 공기의 온도에 따른 냉각량 제어에 따라 막-전극 접합체(300)에 드라이아웃(Dry-out) 또는 플러딩(Flooding)이 발생하는 문제를 해결함으로써 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.
종래 기술에 따른 공냉식 연료전지 스택의 셀은 높이가 약 4~5[mm]로, 그 중 캐소드 측의 유로 높이(캐소드 분리판(100)의 높이)가 약 2~4[mm]를 차지할 수 있다. 특히, 냉각 유로(120)는 반응공기 유로(110)보다 상대적으로 큰 높이를 갖도록 형성되어 유로의 차압을 감소시켜 공기 공급 장치의 부하를 감소할 수 있다.
막-전극 접합체(300)의 일면과 애노드 분리판(200) 사이에 위치되어 막-전극 접합체(300)의 일면과 접하는 제1가스확산층(400); 및 막-전극 접합체(300)의 타면과 캐소드 분리판(100) 사이에 위치되어 막-전극 접합체(300)의 타면과 접하는 제2가스확산층(500);를 더 포함할 수 있다.
제1가스확산층(400)은 막-전극 접합체(300)의 일면에 접촉된 상태로 막-전극 접합체(300)와 애노드 분리판(200) 사이에 위치되어 수소를 막-전극 접합체(300)로 확산시킬 수 있다.
제2가스확산층(500)은 막-전극 접합체(300)의 타면에 접촉된 상태로 막-전극 접합체(300)와 캐소드 분리판(100) 사이에 위치되어 반응용 공기를 막-전극 접합체(300)로 확산시킬 수 있다.
이에 따라, 막-전극 접합체(300)와 애노드 분리판(200) 또는 캐소드 분리판(100) 사이로 유동되는 수소 또는 반응용 공기를 막-전극 접합체(300) 측으로 확산시켜 막-전극 접합체(300)에서의 반응을 활성화시키고, 전자의 이동을 용이하게 하는 효과를 갖는다.
추가로, 막-전극 접합체(300)와 애노드 분리판(200) 또는 캐소드 분리판(100) 사이에는 가스켓(Gasket, 미도시)이 위치되어 분리판(100,200)과 가스확산층(400,500) 사이의 높이를 지지하면서 가스확산층(400,500)의 파손을 방지할 수 있다.
반응공기 유로(110) 및 냉각 유로(120)는 캐소드 분리판(100)의 일부가 요철 형상으로 절곡되어 형성될 수 있다. 수소 유로(미도시) 또한 애노드 분리판(200)의 일부가 요철 형상으로 절곡되어 형성될 수 있다. 즉, 수소 유로(미도시), 반응공기 유로(110) 및 냉각 유로(120)는 캐소드 분리판(100) 또는 애노드 분리판(200)의 일부가 내측으로 만입되어 수소 또는 공기가 유동되는 유로가 형성되거나, 캐소드 분리판(100) 또는 애노드 분리판(200)의 일부에서 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성되어 상대적으로 만입된 부분으로 수소 또는 공기가 유동되도록 유로가 형성될 수 있다.
반응공기 유로(110)와 수소 유로(미도시)는 동일한 방향으로 유동되도록 형성될 수 있다. 냉각 유로(120)는 냉각용 공기가 반응공기 유로(110) 또는 수소 유로(미도시)의 유동 방향과 교차되는 방향으로 유동되도록 형성될 수 있다.
특히, 반응공기 유로(110) 또는 수소 유로(미도시)의 길이는 냉각 유로(120)의 길이보다 상대적으로 길게 형성될 수 있다. 이에 따라, 냉각 유로(120)를 따라 유동됨에 따라 냉각 유로(120) 내부에서 형성되는 냉각용 공기의 차압이 최소화되어 후술하는 공기 공급 장치의 부하를 감소시키고 소비 전력이 절약될 수 있는 효과를 갖는다.
일 실시예로, 냉각 유로(120)는 냉각용 공기가 반응공기 유로(110) 또는 수소 유로(미도시)의 유동 방향과 교차되는 방향으로 직선 형상으로 형성될 수 있다.
다른 실시예로, 냉각 유로(120)는 냉각용 공기가 반응공기 유로(110) 또는 수소 유로(미도시)의 유동 방향과 교차되는 방향으로 유동되도록 형성되되, 냉각용 공기가 측방으로 번갈아가면서 유동되도록 물결 형상의 곡선으로 절곡될 수 있다.
물결 형상의 곡선형 냉각 유로(120)는 냉각용 공기의 흐름을 느리게 하거나 냉각용 공기를 냉각 유로(120)의 벽면 측으로 모이게 함으로써 냉각 성능을 향상시키는 효과를 갖는다.
구체적으로, 캐소드 분리판(100)은 상대적으로 길이가 짧은 단변과 상대적으로 길이가 긴 장변을 갖는 직사각형 형상이고, 냉각 유로(120)는 냉각용 공기가 캐소드 분리판(100)의 단변과 나란한 방향으로 유동되도록 형성될 수 있다.
막-전극 접합체(300), 캐소드 분리판(100) 및 애노드 분리판(200)은 모두 단변과 장변을 갖는 직사각형 형상일 수 있고, 냉각 유로(120)는 직사각형의 단변과 나란한 방향으로 유동되도록 형성될 수 있다.
즉, 냉각 유로(120)는 상대적으로 짧은 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 냉각 유로(120)를 따라 유동됨에 따라 냉각 유로(120) 내부에서 형성되는 냉각용 공기의 차압이 최소화되어 후술하는 공기 공급 장치의 부하를 감소시키고 소비 전력이 절약될 수 있는 효과를 갖는다.
반응공기 유로(110)는 반응용 공기가 캐소드 분리판(100)의 장변과 나란한 방향으로 유동되도록 형성될 수 있다. 수소 유로(미도시) 또한 수소가 애노드 분리판(200)의 장변과 나란한 방향으로 유동되도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 반응용 공기 및 수소가 막-전극 접합체(300)를 따라 유동되는 면적 및 시간이 증가되어 연료전지 스택의 발전 효율이 향상되는 효과를 갖는다.
애노드 분리판(200) 및 캐소드 분리판(100)에는 애노드 분리판(200)과 막-전극 접합체(300) 사이로 공급되는 수소가 유동되는 수소 매니폴드(210) 및 캐소드 분리판(100)과 막-전극 접합체(300) 사이로 공급되는 반응용 공기가 유동되는 공기 매니폴드(130)가 형성될 수 있다.
종래 기술에 따르면, 애노드 분리판(200) 및 캐소드 분리판(100)에는 수소 매니폴드(210)만이 형성되고, 냉각용 공기에 반응용 공기가 동시에 공급됨에 따라 공기 매니폴드(130)는 별도로 형성되지 않았다.
다만, 본 발명에 따르면, 반응용 공기를 캐소드 분리판(100)과 막-전극 접합체(300) 사이에 별도로 공급하는 구성을 위하여 캐소드 분리판(100)과 막-전극 접합체(300) 사이로 공급되는 반응용 공기가 유동되는 공기 매니폴드(130)가 애노드 분리판(200) 및 캐소드 분리판(100)에 형성될 수 있다.
수소 매니폴드(210) 및 공기 매니폴드(130)는 직사각형 형상으로 형성된 애노드 분리판(200) 및 캐소드 분리판(100)의 장변 양단에 각각 형성될 수 있다. 냉각용 공기는 단위셀이 적층된 연료전지 스택의 측방에서 별도로 공급되어 연료전지 스택을 냉각할 수 있다. 특히, 냉각용 공기는 직사각형 형상으로 형성된 애노드 분리판(200) 및 캐소드 분리판(100)의 단변을 따라 유동되도록 장변의 측방에서 공급될 수 있다.
반응용 공기가 냉각용 공기와 동시에 공급되지 않고, 공기 매니폴드(130)를 통하여 별도로 캐소드 분리판(100)과 막-전극 접합체(300) 사이로 공급되는 반응용 공기가 유동됨에 따라 막-전극 접합체(300)가 냉각용 공기가 공급되는 연료전지 스택의 측방으로 노출되지 않아 막-전극 접합체(300)의 수분 상태를 유지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택(1000)을 포함한 공기 공급 시스템을 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료전지 스택(1000)을 포함한 공기 공급 시스템은 전해질막과 전해질막 양면에 위치된 전극을 포함하는 막-전극 접합체, 막-전극 접합체의 일면에 위치되고 막-전극 접합체와의 사이에서 수소가 유동되도록 수소 유로가 형성된 애노드 분리판 및 막-전극 접합체의 타면에 위치되고 일면에는 막-전극 접합체와의 사이에서 반응용 공기가 유동되도록 반응공기 유로가 형성되며 타면에는 냉각용 공기가 유동되는 냉각 유로가 형성된 캐소드 분리판이 포함된 단위셀이 복수 개로 적층된 공냉식 연료전지 스택(1000); 캐소드 분리판과 막-전극 접합체 사이로 공급되는 반응용 공기를 공급하는 반응용 공기 공급부(2000); 및 캐소드 분리판과 다른 단위 셀의 애노드 분리판 사이로 냉각용 공기를 공급하는 냉각용 공기 공급부(3000);를 포함한다.
연료전지 스택(1000)은 단위셀이 수십~수백개로 적층되어 형성될 수 있다.
반응용 공기 공급부(2000)는 캐소드 분리판 및 애노드 분리판에 형성된 매니폴드(Manifold)와 연결되어 캐소드 분리판과 막-전극 접합체 사이로 반응용 공기를 공급할 수 있다.
반응용 공기 공급부(2000) 및 냉각용 공기 공급부(3000)에 연결되어 외부의 공기를 공급하는 공기 공급 장치(4000); 공기 공급 장치(4000)에서 반응용 공기 공급부(2000)와 냉각용 공기 공급부(3000)로 분기되는 위치에 공기의 유량을 조절하는 조절장치;를 더 포함할 수 있다.
공기 공급 장치(4000)는 외부의 공기를 흡입하여 연료전지 스택(1000)으로 공급하는 장치로, 공기블로워, 공기압축기 또는 회전팬(Fan) 등의 구성일 수 있다. 일 실시예로, 공기 공급 장치(4000)는 반응용 공기 공급부(2000) 및 냉각용 공기 공급부(3000)에 함께 연결될 수 있다.
조절 장치(5000)는 베인(Vane) 또는 3-Way 밸브와 같이 공기 공급 장치(4000)로부터 공급된 공기 중 반응용 공기 공급부(2000)와 냉각용 공기 공급부(3000)로 각각 공급되는 공기의 유량을 조절할 수 있다.
특히, 연료전지 스택(1000)의 요구 발전량, 외부의 온도 등에 따라 공기 공급 장치(4000)의 공기 공급량 및 조절 장치(5000)의 개도를 제어하는 제어기(6000)를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예로, 공기 공급 장치(4000)는 반응용 공기 공급부(2000)와 냉각용 공기 공급부(3000)에 각각 마련되고, 제어기(6000)는 각각의 공기 공급 장치(4000)를 별도로 제어할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 캐소드 분리판
110 : 반응공기 유로
120 : 냉각유로 200 : 애노드 분리판
300 : 막-전극 접합체 400 : 제1가스확산층
500 : 제2가스확산층
120 : 냉각유로 200 : 애노드 분리판
300 : 막-전극 접합체 400 : 제1가스확산층
500 : 제2가스확산층
Claims (10)
- 전해질막과 전해질막 양면에 위치된 전극을 포함하는 막-전극 접합체;
막-전극 접합체의 일면에 위치되고, 막-전극 접합체와의 사이에서 수소가 유동되도록 수소 유로가 형성된 애노드 분리판; 및
막-전극 접합체의 타면에 위치되고, 일면에는 막-전극 접합체와의 사이에서 반응용 공기가 유동되도록 반응공기 유로가 형성되며, 타면에는 냉각용 공기가 유동되는 냉각 유로가 형성된 캐소드 분리판;을 포함하는 공냉식 연료전지 스택. - 청구항 1에 있어서,
막-전극 접합체의 일면과 애노드 분리판 사이에 위치되어 막-전극 접합체의 일면과 접하는 제1가스확산층; 및
막-전극 접합체의 타면과 캐소드 분리판 사이에 위치되어 막-전극 접합체의 타면과 접하는 제2가스확산층;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택. - 청구항 1에 있어서,
반응공기 유로 및 냉각 유로는 캐소드 분리판의 일부가 요철 형상으로 절곡되어 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택. - 청구항 1에 있어서,
냉각 유로는 냉각용 공기가 반응공기 유로 또는 수소 유로의 유동 방향과 교차되는 방향으로 유동되도록 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택. - 청구항 4에 있어서,
냉각 유로는 냉각용 공기가 측방으로 번갈아가면서 유동되도록 물결 형상의 곡선으로 절곡된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택. - 청구항 1에 있어서,
캐소드 분리판은 상대적으로 길이가 짧은 단변과 상대적으로 길이가 긴 장변을 갖는 직사각형 형상이고,
냉각 유로는 냉각용 공기가 캐소드 분리판의 단변과 나란한 방향으로 유동되도록 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택. - 청구항 6에 있어서,
반응공기 유로는 반응용 공기가 캐소드 분리판의 장변과 나란한 방향으로 유동되도록 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택. - 청구항 1에 있어서,
애노드 분리판 및 캐소드 분리판에는 애노드 분리판과 막-전극 접합체 사이로 공급되는 수소가 유동되는 수소 매니폴드 및 캐소드 분리판과 막-전극 접합체 사이로 공급되는 반응용 공기가 유동되는 공기 매니폴드가 형성된 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택. - 전해질막과 전해질막 양면에 위치된 전극을 포함하는 막-전극 접합체, 막-전극 접합체의 일면에 위치되고 막-전극 접합체와의 사이에서 수소가 유동되도록 수소 유로가 형성된 애노드 분리판 및 막-전극 접합체의 타면에 위치되고 일면에는 막-전극 접합체와의 사이에서 반응용 공기가 유동되도록 반응공기 유로가 형성되며 타면에는 냉각용 공기가 유동되는 냉각 유로가 형성된 캐소드 분리판이 포함된 단위셀이 복수 개로 적층된 공냉식 연료전지 스택;
캐소드 분리판과 막-전극 접합체 사이로 공급되는 반응용 공기를 공급하는 반응용 공기 공급부; 및
캐소드 분리판과 다른 단위 셀의 애노드 분리판 사이로 냉각용 공기를 공급하는 냉각용 공기 공급부;를 포함하는 공냉식 연료전지 스택을 포함한 공기 공급 시스템. - 청구항 9에 있어서,
반응용 공기 공급부 및 냉각용 공기 공급부에 연결되어 외부의 공기를 공급하는 공기 공급 장치; 및
공기 공급 장치에서 반응용 공기 공급부와 냉각용 공기 공급부로 분기되는 위치에 공기의 유량을 조절하는 조절장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료전지 스택을 포함한 공기 공급 시스템.
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| KR1020180160115A KR20200072201A (ko) | 2018-12-12 | 2018-12-12 | 공냉식 연료전지 스택 및 이를 포함한 공기 공급 시스템 |
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| KR1020180160115A KR20200072201A (ko) | 2018-12-12 | 2018-12-12 | 공냉식 연료전지 스택 및 이를 포함한 공기 공급 시스템 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023090572A1 (ko) * | 2021-11-19 | 2023-05-25 | 테라릭스 주식회사 | 연료전지용 공기공급장치 |
| CN117727989A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 浙江海盐力源环保科技股份有限公司 | 高性能燃料电池 |
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| KR20030042633A (ko) | 2001-11-23 | 2003-06-02 | (주)세티 | 공기냉각 구조를 갖는 냉각판이 단위전지 사이에 적층된연료전지스택 |
| KR101341949B1 (ko) | 2011-11-29 | 2013-12-16 | 주식회사 프로파워 | 연료 전지 시스템용 열교환장치 및 그의 매니폴더 |
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2018
- 2018-12-12 KR KR1020180160115A patent/KR20200072201A/ko not_active Application Discontinuation
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