WO2021246683A1 - 연료전지의 스택 구조 - Google Patents

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WO2021246683A1
WO2021246683A1 PCT/KR2021/006184 KR2021006184W WO2021246683A1 WO 2021246683 A1 WO2021246683 A1 WO 2021246683A1 KR 2021006184 W KR2021006184 W KR 2021006184W WO 2021246683 A1 WO2021246683 A1 WO 2021246683A1
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surface pressure
gas diffusion
diffusion layer
applying means
pressure applying
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PCT/KR2021/006184
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범길호
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(주)두산 모빌리티 이노베이션
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    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • 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
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a stack structure of a fuel cell, and more particularly, in an air-cooled fuel cell stack, a porous plate is disposed between a separator and a gas diffusion layer to prevent deformation of the stack and uniform surface pressure is applied to the gas diffusion layer
  • a stack structure of a fuel cell that can reduce the contact resistance and prevent drying of the membrane electrode assembly by forming a wide hydration region between the gas diffusion layer and the membrane electrode assembly, ultimately improving the output efficiency of the stack is about
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • the polymer electrolyte fuel cell has high efficiency and high current density and power density.
  • it is less sensitive to changes in the pressure of the reactive gases (hydrogen and oxygen in air) and can produce a wide range of outputs. For this reason, it can be applied to various fields such as a power source for pollution-free vehicles, self-generation, mobile and military power sources.
  • a polymer electrolyte membrane fuel cell is a device that generates water by electrochemically reacting hydrogen and oxygen to generate electricity.
  • the supplied hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons in the catalyst of the anode, and the separated hydrogen ions pass through the electrolyte membrane. goes to the cathode.
  • oxygen in the air supplied to the cathode is combined with electrons entering the cathode through an external conductor to generate water while generating electrical energy.
  • unit cells In order to obtain a potential required in an actual vehicle or drone, unit cells should be stacked as many as necessary potentials, and this stacking of unit cells is called a stack (or fuel cell stack).
  • the potential generated by one unit cell is about 1.2V, and power required for the load is supplied by stacking a number of cells in series.
  • Each unit cell includes a membrane electrode assembly (MEA), and an anode electrode to which hydrogen is supplied to both sides and a cathode to which air (oxygen) is supplied with a polymer electrolyte membrane through which hydrogen ions are transmitted in the membrane electrode assembly.
  • An electrode is provided.
  • a gas diffusion layer is disposed on the outside of the anode electrode and the cathode electrode including the catalyst layer, and a fuel cell stack is formed by sequentially stacking a membrane electrode assembly and a separator having a reaction gas and cooling water flow path.
  • a drone includes all aircraft that are controlled remotely without a person on board, such as unmanned aerial vehicles (UAVs), unmanned aerial vehicles, and unmanned aerial vehicles, or that fly according to prior information.
  • UAVs unmanned aerial vehicles
  • unmanned aerial vehicles unmanned aerial vehicles
  • unmanned aerial vehicles unmanned aerial vehicles
  • 1A and 1B disclose a stack structure 10 of an air-cooled fuel cell that can be applied to a drone or the like.
  • a membrane electrode assembly 40 is first disposed, and although not shown in the drawings, in general, the membrane electrode assembly 40 is disposed on both sides with a polymer electrolyte membrane in the middle. It has a structure in which an anode (cathode) electrode and a cathode (positive electrode) electrode are disposed.
  • a cathode gas diffusion layer (GDL, Gas Diffusion Layer; 30) is disposed on one side with the membrane electrode assembly 40 interposed therebetween, and a cathode separator 20 is disposed on the outside thereof.
  • Hydrogen gas which is a fuel, is supplied from the negative electrode separator 20 .
  • the positive electrode separator 60 has a structure in which a land portion 61 in contact with the anode gas diffusion layer 50 and a channel portion 63 forming an air flow path Y1 are alternately disposed with each other.
  • a cooling passage (Y2) through which cooling air flows is formed outside the channel portion (63).
  • a fan may be disposed on the front or rear portion of the stack to smoothly supply air.
  • the fan supplies air to the stack of fuel cells.
  • Part of the air supplied to operate the fan flows into the air flow path (Y1), and oxygen in the air undergoes an electrochemical reaction with hydrogen to produce water. And the remaining part of the air flows into the cooling passage (Y2) to cool the heat of the stack generated in the electrochemical reaction.
  • a plurality of flow paths are repeatedly molded to include a land portion 61 and a channel portion 63 .
  • This is the same for the negative electrode separator 20 .
  • the positive electrode separator 60 and the negative electrode separator 20 are disposed perpendicular to each other at an angle of 90 degrees, the land portion and the channel portion are not visible.
  • the anode separator 60 corresponding to the channel part 63 does not apply the surface pressure to the anode gas diffusion layer 50, and only the land part 61 is the anode gas diffusion layer 50. ), it is impossible to maintain a uniform surface pressure on the gas diffusion layer 50 itself. This also applies to the negative electrode separator 20 as well.
  • the contact resistance increases in the area of the anode gas diffusion layer 50 in contact with the land portion 61, and as the surface pressure F0 is applied only to the area, the anode gas diffusion layer corresponding to the area ( The hydration region R1 is formed only in the region between the 50 ) and the membrane electrode assembly 40 .
  • the hydration region R1 may be similarly generated between the cathode gas diffusion layer 30 and the membrane electrode assembly 40 .
  • the present invention has been devised to solve the problems of the related art as described above, and an object of the present invention is to prevent deformation of the stack by disposing a perforated plate between a separator plate and a gas diffusion layer in an air-cooled fuel cell stack, By applying a uniform surface pressure to the gas diffusion layer, the contact resistance is relieved, and a hydration region is formed widely between the gas diffusion layer and the membrane electrode assembly to prevent drying of the membrane electrode assembly, and ultimately, the output efficiency of the stack is improved It is to provide a stack structure of a fuel cell that can be used.
  • the present invention for achieving the above objects relates to a stack structure of a fuel cell, comprising: a membrane electrode assembly in which an electrochemical reaction occurs between air and fuel; a gas diffusion layer disposed on both sides of the membrane electrode assembly, in which air or fuel is diffused; a separator disposed outside the gas diffusion layer; and a surface pressure applying means disposed between the separation plate and the gas diffusion layer and configured to press the separation plate with a uniform surface pressure to the gas diffusion layer.
  • the separator includes: a land portion protruding in the direction of the gas diffusion layer and in contact with the surface pressure applying means; and a channel part bent and connected to the land part and protruding in an opposite direction to the gas diffusion layer, wherein the land part and the channel part form a plurality of rows and may be alternately disposed with each other.
  • an air passage through which air passes is formed in the space formed by the inside of the channel part and the surface pressure applying means, and the space formed between the outside of the channel part and the outside of the land part is through which cooling air passes.
  • a cooling flow path may be formed.
  • the surface pressure applying means may have a plate shape, and may be configured to apply a uniform pressure to the gas diffusion layer by being pressurized by a plurality of the land portions.
  • a through hole may be formed in the plate-shaped surface pressure applying means.
  • the through hole on the plate-shaped surface pressure applying means may be formed in a region corresponding to the channel portion.
  • the through-hole on the plate-shaped surface pressure applying means may be formed in a region corresponding to the land portion.
  • a hydration region is formed between the gas diffusion layer and the membrane electrode assembly, and it can be configured to prevent drying of the membrane electrode assembly.
  • a plurality of the through-holes may be formed on the plate-shaped surface pressure applying means.
  • the total porosity of the through-holes relative to the area of the surface pressure applying means may be determined within the range of 20 to 48%.
  • the maximum output compared to the applied current may be within the range of 43 to 45% of the total porosity of the through hole.
  • contact resistance can be alleviated by disposing a perforated plate between the separator plate and the gas diffusion layer in the air-cooled fuel cell stack so that a uniform surface pressure is applied to the gas diffusion layer.
  • the stack clamping pressure may increase according to the change in the thickness and compression ratio of the gas diffusion layer. It can be dispersed, so that it is possible to suppress the increase in the stack clamping pressure or to mitigate the increase. As a result, deformation of the separator constituting the stack can be alleviated or prevented.
  • a hydration region may be formed widely between the gas diffusion layer and the membrane electrode assembly, which prevents drying of the membrane electrode assembly.
  • the overall output efficiency of the stack can be improved.
  • 1A is a cross-sectional view showing the structure of a conventional air-cooled fuel cell stack.
  • FIG. 1B is an enlarged view of part A in FIG. 1A;
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing the structure of an air-cooled fuel cell stack according to the present invention.
  • Fig. 2B is an enlarged view of part B in Fig. 2A;
  • Figure 3 is a view showing the structure of the through hole in the surface pressure applying means of the present invention.
  • Figure 10a is a view showing the actual production of the surface pressure applying means of the present invention.
  • Figure 10b is a view showing a state in which the surface pressure applying means of the present invention is coupled to the separating plate.
  • the separator plates 200 and 600 to be described below may be a concept including the first separator plate 600 and the second separator plate 200 .
  • the first separator 600 is a cathode
  • the second separator 200 is a cathode.
  • the first separator 600 is a negative electrode
  • the second separator 200 is a positive electrode. That is, the first and second separator plates 600 and 200 represent opposite electrodes.
  • the gas diffusion layers 300 and 500 to be described below may be a concept including the first gas diffusion layer 500 and the second gas diffusion layer 300 .
  • the first gas diffusion layer 500 is an anode
  • the second gas diffusion layer 300 is a cathode.
  • the first gas diffusion layer 500 is a cathode
  • the second gas diffusion layer 300 is an anode. That is, the first and second gas diffusion layers 500 and 300 represent opposite electrodes.
  • the first separator 600 is an anode separator
  • the first gas diffusion layer 500 is an anode gas diffusion layer
  • the second separator 200 is a cathode separator.
  • the plate and the second gas diffusion layer 300 will be described by limiting the cathode gas diffusion layer. This case will be described as a case in which the surface pressure applying means 700 is disposed on the anode.
  • the channel portion and the land portion are not displayed on the second separator 200 , but this is because the first separator 600 and the second separator 200 are disposed perpendicular to each other at an angle of 90 degrees. As not shown, the channel part and the land part are processed like a general separator.
  • the surface pressure applying means 700 may be disposed on the cathode, in this case the first separator 600 is a cathode separator, the first gas diffusion layer 500 is a cathode gas diffusion layer, and the second separator 200 is The anode separator and the second gas diffusion layer 300 are changed to the anode gas diffusion layer, and accordingly, the supply paths of 'air' and 'fuel', which will be described below, will be changed accordingly.
  • the structure 100 of the fuel cell stack according to the present invention has a membrane electrode assembly 400 , a second gas diffusion layer 300 , a second separator 200 , and a first gas diffusion layer.
  • 500 , the first separating plate 600 and the surface pressure applying means 700 may be included.
  • the membrane electrode assembly 400 is basically an anode electrode to which fuel (hydrogen) is supplied to both sides with a polymer electrolyte membrane through which hydrogen ions are transmitted in the membrane electrode assembly 400 and air (oxygen) It may be configured to include a cathode electrode to which is supplied.
  • the membrane electrode assembly 400 may be a space in which an electrochemical reaction occurs between fuel (hydrogen) and oxygen in the air.
  • the second gas diffusion layer 300 may be disposed on one side of the membrane electrode assembly 400 and may be a layer in which fuel (hydrogen) is diffused.
  • the second separator 200 may be disposed outside the second gas diffusion layer 300 , and may be a channel through which fuel is supplied to the second gas diffusion layer 300 .
  • the first gas diffusion layer 500 is disposed on the other side of the membrane electrode assembly 400 and may be a layer through which air is diffused.
  • the first separator 600 may be disposed outside the first gas diffusion layer 500 , and may be a channel through which air is supplied to the first gas diffusion layer 500 .
  • the surface pressure applying means 700 is disposed between the first separator 600 and the first gas diffusion layer 500 , and the first separator 600 applies the first gas diffusion layer 500 uniformly. It may be provided to press with surface pressure.
  • the first separator 600 may include a land portion 610 and a channel portion 630 .
  • the land portion 610 may be a portion that protrudes in the direction of the first gas diffusion layer 500 and is in contact with the surface pressure applying means 700 .
  • the channel portion 630 may be bent and connected to the land portion 610 , and may be a portion protruding in the opposite direction of the first gas diffusion layer 500 .
  • the land portion 610 and the channel portion 630 may be alternately disposed to form a plurality of rows.
  • an air passage Y1 through which air passes may be formed in the space formed by the inside of the channel portion 630 and the surface pressure applying means 700 , and the outside of the channel portion 630 and the land portion
  • the space formed by the outside of the 610 may be formed with a cooling passage Y2 through which the cooling air passes.
  • cooling passage (Y2) among the supplied air is used to cool the stack heated by the heat generated according to the electrochemical reaction in the membrane electrode assembly (400).
  • the surface pressure applying means 700 may have a plate shape.
  • the surface pressure applying means 700 may be pressurized by the plurality of land portions 610 to apply a uniform pressure to the first gas diffusion layer 500 .
  • a plurality of through holes 720 may be formed in the plate-shaped surface pressure applying means 700 .
  • the through hole 720 may be a passage through which the air flowing through the air passage Y1 flows into the first gas diffusion layer 500 .
  • the surface pressure applying means 700 is disposed between the first separator 600 and the first gas diffusion layer 500 .
  • the surface pressure applying means 700 is pressed by the land portion 610 and applies uniform surface pressures F0 and F1 to the first gas diffusion layer 500 . That is, in the conventional stack disclosed in FIG. 1B, only the surface pressure corresponding to F0 is applied to the first gas diffusion layer 50 by the land portion 61, but in the embodiment of the present invention, the land portion 610 is the surface pressure applying means.
  • the surface pressure applying means 700 applies the entire first gas diffusion layer 500 . Pressing with uniform surface pressure (F0, F1).
  • the area of the first gas diffusion layer 50 pressed by the land portion 61 is small and thus the contact resistance is increased.
  • the surface pressure instead of the land portion 610 is Since the applying means 700 contacts and pressurizes the entire first gas diffusion layer 500 , the contact resistance is reduced.
  • the through hole 720 may be basically formed in a region corresponding to the channel portion 630 on the plate-shaped surface pressure applying means 700 . This is to allow air flowing through the air flow path Y1 to be introduced into the first gas diffusion layer 500 .
  • the through hole 720 may be formed in a region corresponding to the land portion 610 on the plate-shaped surface pressure applying means 700 .
  • oxygen in the air since oxygen in the air is a very small molecule that is invisible to the naked eye, it may be introduced into a gap formed between the land portion 610 and the surface pressure applying means 700 .
  • the air introduced in this way can also be introduced into the first gas diffusion layer 500 through the through hole 720 .
  • the through hole 720 is generally formed on the surface pressure applying means 700 , air can be introduced throughout the first gas diffusion layer 500 through the through hole 720 . do.
  • a hydration region R2 is formed between the first gas diffusion layer 500 and the membrane electrode assembly 400 . It is formed widely and prevents drying of the membrane electrode assembly 400 .
  • This hydration region R2 may be a product generated from an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and a portion of the surface pressure applying means 700 is not released to the outside but remains, and the membrane electrode assembly 400 is dried.
  • the surface pressure applying means 700 As the land portion 610 presses the surface pressure applying means 700 , the surface pressure is uniformly applied to the first gas diffusion layer 500 , and the first gas diffusion layer 500 and Between the membrane electrode assembly 400, the hydration region R2 may be formed wider than in the related art. Accordingly, the hydration region R2 is formed in the entire area of the membrane electrode assembly 400, so that the area preventing the drying phenomenon is also widened.
  • a plurality of through-holes 720 are formed between the first separator 600 and the first gas diffusion layer 500 in the air-cooled fuel cell stack. , for example, by arranging a component such as a perforated plate so that a uniform surface pressure is applied to the first gas diffusion layer 500, there is a technical feature of alleviating the contact resistance.
  • the surface pressure applying means 700 in the form of a perforated plate having a plurality of through-holes 720 is disposed between the second separator 200 and the second gas diffusion layer 300 .
  • the surface pressure applying means 700 may be pressurized by the second separator 200 to apply a uniform pressure to the second gas diffusion layer 300 . That is, the surface pressure by the second separator 200 may be uniformly applied to the second gas diffusion layer 300 .
  • the surface pressure applying means 700 When the surface pressure applying means 700 is disposed between the second separator 200 and the second gas diffusion layer 300, the thickness of the second gas diffusion layer 300 and specifications such as compressibility are changed, Since the plate-shaped surface pressure applying means 700 serves as a support plate or a deformation preventing plate, it is possible to suppress or relieve deformation of the second separator 200 .
  • the specifications of the first or second gas diffusion layers 300 and 500 may be changed according to the design conditions of the manufacturer.
  • the surface pressure applying means 700 between the first separator 600 and the first gas diffusion layer 500 or between the second separator 200 and the second gas diffusion layer 300 , the gas diffusion layers 300,500 ), the surface pressure can be evenly distributed even if the specification is changed, thereby suppressing the increase in the stack clamping pressure or reducing the increase. As a result, the effect of reducing or preventing deformation of the first or second separator plates 200 and 600 constituting the stack is exhibited.
  • X1 represents a change in output value over time according to the structure of the conventional fuel cell stack
  • X2 represents a change in output value over time according to the fuel cell stack structure of the present invention.
  • Experimental conditions were a test space temperature of 23.7°C, a humidity of 33.1% in the test space, an electrode temperature of 60.7°C, a fan output of 5.4W, a current value of 35A, a current density of 0.55A/cm2, and a fuel cell voltage of 0.646V.
  • the fuel cell stack X2 generated approximately 1670W of output.
  • the output of about 300W has increased. If the cause is found, as the surface pressure applying means 700 evenly presses the first gas diffusion layer 500 , a hydration region R2 is formed over the entire membrane electrode assembly 400 , and accordingly, the membrane electrode The dried area of the assembly 400 is relatively reduced, which is because the increase in internal resistance on the membrane electrode assembly 400 is suppressed and the ionic conductivity is improved. As a result, the stack performance is improved.
  • the payload value of the drone equipped with the fuel cell is improved.
  • the surface pressure applying means 700 in the form of a perforated plate is mounted on the stack of the fuel cell power pack equipment, the stack weight increases, and the payload value loss due to the increase in the stack weight is -0.22 kg can be seen as In the present invention, the weight of the surface pressure applying means 700 was set to 0.22 kg.
  • the increase in the payload value can be calculated as +2.2kg. Since the output of about 300W has been increased, the output of about 300W can carry more weight equivalent to 2.2kg.
  • the net payload value is increased by +1.98 kg. That is, since the increase in the payload value is larger due to the increase in output as the surface pressure applying means 700 is disposed rather than the payload value loss due to the weight of the surface pressure applying means 700, it can be considered advantageous in terms of the change in the payload value.
  • This experimental data shows the output value per porosity (%) for the plurality of through-holes 720 formed in the surface pressure applying means 700 when the surface pressure applying means 700 is disposed on the first separator.
  • 48% indicates that the porosity of the surface pressure applying means 700 in the form of a perforated plate is 48% of the total area.
  • the experimental conditions are a stack outlet temperature of 60°C, a purge cycle of 3s/200ms, and a gas pressure of 0.9bar.
  • 6 to 9 show the stack behavior according to the current density disclosed in FIG. 5 subdivided for each current density.
  • the voltage value is formed relatively high as 44% (P2) > 20% (P4) > 40% (P3) > 48% (P1).
  • the maximum voltage is shown when the porosity is 44% (P2), that is, the porosity is within the range of 43 to 45%, preferably 44%.
  • the voltage value is formed relatively high in the order of 44% (P2) > 20% (P4) ⁇ 40% (P3) > 48% (P1). It can be seen that there is 20% (P4) and 40% (P3) form a generally similar voltage range.
  • the maximum voltage is shown at 44% (P2), that is, when the porosity is within the range of 43 to 45%, preferably at 44%.
  • the maximum voltage was generated when the porosity formed by the through hole 720 in the surface pressure applying means 700 was 43 to 45%, preferably 44%.
  • the highest output value occurred in the case of 44% (porosity: 44%), which was formed by the plurality of through-holes 720 when applying the surface pressure applying means 700 in the form of a perforated plate. It indicates that the highest output value is formed when the porosity is 43 to 45%, preferably 44%, of the total area of the surface pressure applying means 700 .
  • the hydration region can be evenly formed in the membrane electrode assembly 400 to suppress the drying phenomenon to the maximum, and at the same time, the membrane electrode assembly 400 ) indicates the range of porosity that can supply air stably.
  • FIG. 10A the form of the perforated plate in which the surface pressure applying means 700 according to the embodiment of the present invention is actually manufactured is shown.
  • the porosity formed by the plurality of through-holes 720 in the actually manufactured perforated plate corresponds to approximately 44% of the plate area.
  • the surface pressure applying means 700 is welded to and joined to the land portion 610 of the first separating plate 600 is shown.
  • the surface pressure applying means 700 is pressurized by the plurality of land portions 610 , and when a uniform surface pressure is applied to the first gas diffusion layer 500 , a hydration region is formed.
  • the present invention provides a first gas diffusion layer 500 by disposing a perforated plate between the first separator 600 and the first gas diffusion layer 500 in an air-cooled fuel cell stack. ) has a technical feature of alleviating contact resistance by applying a uniform surface pressure to the It has a technical feature to prevent drying of the electrode assembly 400 . Ultimately, this has the effect of improving the overall stack output.
  • the present invention relates to a stack structure of a fuel cell and has industrial applicability.

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Abstract

본 발명은 연료전지의 스택 구조에 관한 것으로, 분리판과 가스확산층 사이에, 분리판이 가스확산층을 균일한 면압으로 가압하도록 하는 면압인가수단이 배치되고, 본 발명에 따르면, 스택의 변형을 방지함과 동시에, 가스확산층에 균일한 면압이 인가되도록 하여 접촉저항을 완화하고, 가스확산층과 막전극접합체 사이에 수화영역이 넓게 형성되도록 하여 막전극접합체의 건조현상을 방지함으로써, 궁극적으로는 스택의 출력 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

연료전지의 스택 구조
본 발명은 연료전지의 스택 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공냉식 연료전지 스택에서 분리판과 가스확산층 사이에 다공판을 배치하여 스택의 변형을 방지함과 동시에, 가스확산층에 균일한 면압이 인가되도록 하여 접촉저항을 완화하고, 가스확산층과 막전극접합체 사이에 수화영역이 넓게 형성되도록 하여 막전극접합체의 건조현상을 방지함으로써, 궁극적으로는 스택의 출력 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지의 스택 구조에 관한 것이다.
연료전지는 고효율의 청정 에너지원으로서 점차 그 사용 영역이 확대되어 가고 있으며, 여러 종류의 연료전지 중에서 특히 고분자 전해질(막) 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 다른 형태의 연료전지에 비해 비교적 낮은 온도에서 작동하고 시동시간이 짧으며 부하 변화에 대한 빠른 응답 특성을 가지고 있다.
또한 고분자 전해질 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크다. 또한 반응가스(수소 및 공기 중 산소)의 압력 변화에 덜 민감하며 다양한 범위의 출력을 낼 수 있다. 이런 이유로 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
고분자 전해질막 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 공급된 수소가 애노드의 촉매에서 수소이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 넘어가게 된다. 이때, 캐소드에 공급된 공기 중 산소는 외부 도선을 통해 캐소드로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
실제 차량(Vehicle)이나 드론(Drone)에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 필요한 전위만큼 단위 셀을 적층하여야 하며, 이렇게 단위 셀을 적층한 것을 스택(또는 연료전지 스택)이라 한다. 1 개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약1.2V로서, 다수의 셀을 직렬로 적층하여 부하에 필요한 전력을 공급하고 있다. 각 단위 셀은 막전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)를 포함하며, 막전극 접합체에서 수소이온이 전달되는 고분자 전해질막을 사이에 두고 양측으로 수소가 공급되는 애노드 전극과 공기(산소)가 공급되는 캐소드 전극이 구비된다. 또한 촉매층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극의 바깥쪽에는 가스 확산층이 배치되며, 이러한 막전극 접합체와 반응가스 및 냉각수 유로가 형성된 분리판을 순차적으로 적층한 것이 연료전지 스택이다.
한편, 일반적으로 드론(Drone)이란 UAV(Unmanned Aerial Vehicle), 무인 비행선, 무인 비행체 등 사람이 탑승하지 않고 원격으로 조종하거나 사전 정보에 따라 비행하는 모든 비행체를 포함한다.
처음에는 공군기, 고사포 또는 미사일의 요격 연습용으로 군사적으로 사용되었으나, 점차 무선기술이 발달함에 따라 단순히 요격 연습용 뿐만 아니라 군용 정찰기, 각종 무기를 장착하여 표적시설 파괴용으로 사용되었다.
최근에는 드론의 활용도가 확대되었는데, 소형 드론을 개발하여 레저용으로 사용하고 있고, 드론 조종 경진 대회가 열릴 정도로 드론의 대중화는 점차 확대되는 추세이다.
이러한 드론의 활용에 있어서, 드론의 동력원 운용은 최근에 중요시 되고 있다. 일부에서는 드론의 동력원으로서 연료전지가 실험되고 있으며, 연료전지는 드론의 장시간 사용에 있어서, 효율적인 에너지를 제공할 수 있다.
대체로 드론용 연료전지는 공냉식으로 냉각하게 된다. 드론은 비행을 해야 하므로, 출력효율을 높이고 페이로드(payload) 값을 향상시키기 위해서는 무게 저감이 필수이다. 따라서 수냉식을 적용하는 데는 한계가 있다.
도 1a 및 도 1b에는 드론 등에 적용될 수 있는 공냉식 연료전지의 스택 구조(10)가 개시되어 있다.
도 1a 및 도 1b를 참고하면, 종래 공냉식 연료전지 스택의 일 형태는 우선 막전극 접합체(40)가 배치되고, 도면으로 도시하지는 않았으나, 일반적으로 막전극 접합체(40)는 고분자 전해질막을 가운데 두고 양측에 애노드(음극) 전극과 캐소드(양극) 전극이 배치되는 구조이다.
막전극 접합체(40)를 사이에 두고 일측에는 음극 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer;30)이 배치되고 그 외측에는 음극 분리판(20)이 배치된다. 음극 분리판(20)에서는 연료인 수소가스가 공급된다.
그리고 타측에는 양극 가스확산층(50)이 배치되고, 그 외측에는 양극 분리판(60)이 배치된다. 양극 분리판(60)은 양극 가스확산층(50)에 접하는 랜드부(61)와 공기유로(Y1)를 형성하는 채널부(63)가 서로 교대로 배치되는 구조이다. 채널부(63)의 외측으로는 냉각공기가 흐르는 냉각유로(Y2)가 형성된다.
도면으로 도시하지는 않았으나, 공냉식 연료전지의 경우 공기를 원활하게 공급하기 위해 스택의 전면부 또는 후면부에 팬(fan)이 배치될 수 있다. 팬은 연료전지의 스택에 공기를 공급하게 된다.
팬의 작동을 공급되는 공기 중 일부는 공기유로(Y1)로 유입되고 공기 중 산소가 수소와 전기화학반응을 일으키며 물을 생성하게 된다. 그리고 나머지 일부의 공기는 냉각유로(Y2)로 유입되며 전기화학반응에서 발생된 스택의 열을 냉각하게 된다.
그런데, 팬의 과작동으로 인해 과량의 공기가 스택으로 유입되는 경우가 있다. 이 경우 지나치게 많은 공기가 캐소드 전극 또는 애노드 전극측으로 유입되어 막전극 접합체(40)가 건조되는 현상이 발생될 수 있다.
막전극 접합체(40)가 건조되면 내부 저항이 증가하여 이온전도도가 낮아지게 되고, 결국 수소와 산소의 전기화학반응율이 떨어져 스택출력 저하의 원인이 된다.
또한 양극 분리판(60)의 경우 다수의 유로가 반복 성형되어 랜드부(61)와 채널부(63)으로 구성되어 있다. 이는 음극 분리판(20)도 마찬가지다. 도면에서는 양극 분리판(60)과 음극 분리판(20)이 서로 90도 각도로 직교되어 배치되므로 랜드부 및 체널부가 보이지 않는다.
한편, 채널부(63)의 피치에 따라 채널부(63)에 해당하는 양극 분리판(60)은 양극 가스확산층(50)에 면압을 인가하지 못하고, 랜드부(61)만이 양극 가스확산층(50)에 면압을 인가하게 되므로, 가스확산층(50) 자체에 균일한 면압을 유지하지 못하게 된다. 이는 음극 분리판(20)에서도 마찬가지로 적용된다.
이에 따라 도 1b를 참고하면, 랜드부(61)에 접하는 양극 가스확산층(50) 영역에 접촉 저항이 증가하게 되고, 해당부위에만 면압(F0)이 인가됨에 따라 해당 부위에 대응되는 양극 가스확산층(50)과 막전극 접합체(40) 사이의 영역에만 수화영역(R1)이 형성되게 된다. 이러한 수화영역(R1)은 음극 가스확산층(30)과 막전극 접합체(40) 사이에도 마찬가지로 발생될 수 있다.
수화영역(R1)이 형성되면 대응되는 막전극 접합체(40) 부위에서만 건조현상이 방지되고, 그 외 영역에서는 여전히 건조문제가 존재하게 된다.
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 공냉식 연료전지 스택에서 분리판과 가스확산층 사이에 다공판을 배치하여 스택의 변형을 방지함과 동시에, 가스확산층에 균일한 면압이 인가되도록 하여 접촉저항을 완화하고, 가스확산층과 막전극접합체 사이에 수화영역이 넓게 형성되도록 하여 막전극접합체의 건조현상을 방지함으로써, 궁극적으로는 스택의 출력 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지의 스택 구조를 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지의 스택 구조에 관한 것으로, 공기와 연료간에 전기화학반응이 일어나는 막전극접합체; 상기 막전극접합체의 양면에 배치되고, 공기 또는 연료가 확산되는 가스확산층; 상기 가스확산층의 외측에 배치되는 분리판; 및 상기 분리판과 상기 가스확산층 사이에 배치되고, 상기 분리판이 상기 가스확산층을 균일한 면압으로 가압하도록 하는 면압인가수단;을 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 상기 분리판은, 상기 가스확산층 방향으로 돌출되고, 상기 면압인가수단에 접하는 랜드부; 및 상기 랜드부에 절곡되어 연결되고, 상기 가스확산층의 반대방향으로 돌출된 채널부;를 포함하고, 상기 랜드부와 상기 채널부로 복수의 열을 이루며 서로 교대로 배치될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 상기 채널부의 내부와 상기 면압인가수단이 형성하는 공간은 공기가 통과하는 공기유로;가 형성되고, 상기 채널부의 외부와 상기 랜드부의 외부가 형성하는 공간은 냉각공기가 통과하는 냉각유로;가 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 상기 면압인가수단은 판 형상이고, 복수개의 상기 랜드부에 의해 가압되어 상기 가스확산층에 균일한 압력을 인가하도록 구성될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 상기 판 형상의 면압인가수단에는 관통홀이 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 상기 판 형상의 면압인가수단상에서 상기 관통홀은 상기 채널부에 대응되는 영역에 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 상기 판 형상의 면압인가수단상에서 상기 관통홀은 상기 랜드부에 대응되는 영역에 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 상기 판 형상의 면압인가수단이 배치되는 영역에서, 상기 가스확산층과 상기 막전극접합체 사이에서는 수화영역이 형성되며, 상기 막전극접합체의 건조현상을 방지하도록 구성될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 상기 관통홀은 상기 판 형상의 면압인가수단상에 복수개가 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 상기 판 형상의 면압인가수단상에 복수개의 관통홀이 형성됨에 따라, 상기 면압인가수단의 면적 대비 상기 관통홀의 전체 공극율은 20 ~ 48 % 범위내에서 결정될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 인가 전류 대비 최대 출력은 상기 관통홀의 전체 공극율이 43~45 % 범위내일 수 있다.
본 발명에 따르면, 공냉식 연료전지 스택에서 분리판과 가스확산층 사이에 다공판을 배치하여 가스확산층에 균일한 면압이 인가되도록 하여 접촉저항을 완화할 수 있다.
특히, 가스확산층 사양 변경 시 가스확산층의 두께 및 압축률 변경에 따라 스택 체결압 증가 현상이 발생할 수 있는데, 이때 분리판과 가스확산층 사이에 다공판을 배치함에 따라, 가스확산층의 사양이 변경되더라도 면압을 분산시킬 수 있어, 스택 체결압 증가현상을 억제하거나 그 증가 정도를 완화할 수 있다. 결과적으로는 스택을 구성하는 분리판의 변형을 완화하거나 방지할 수 있다.
그리고 다공판이 배치됨에 따라 가스확산층과 막전극접합체 사이에 수화영역이 넓게 형성될 수 있으며, 이는 막전극접합체의 건조현상을 방지하게 된다.
궁극적으로는 전체적으로 스택의 출력 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 종래 공냉식 연료전지 스택의 구조를 나타낸 단면도.
도 1b는 도 1a에서 A 부분의 확대도.
도 2a는 본 발명인 공냉식 연료전지 스택의 구조를 나타낸 단면도.
도 2b는 도 2a에서 B 부분의 확대도.
도 3은 본 발명인 면압인가수단에서 관통홀 구조를 나타낸 도면.
도 4는 기존스택과 본 발명의 스택간에 출력비교를 나타낸 실험데이터.
도 5는 전류밀도에 따른 본 발명인 연료전지의 스택 거동을 나타낸 실험데이터.
도 6은 전류 400mA/cm 2 인가시 면압인가수단의 공극률에 따른 출력전압을 비교한 실험데이터.
도 7은 전류 500mA/cm 2 인가시 면압인가수단의 공극률에 따른 출력전압을 비교한 실험데이터.
도 8은 전류 550mA/cm 2 인가시 면압인가수단의 공극률에 따른 출력전압을 비교한 실험데이터.
도 9는 전류 600mA/cm2 인가시 면압인가수단의 공극률에 따른 출력전압을 비교한 실험데이터.
도 10a는 본 발명인 면압인가수단의 실제 제작물을 나타낸 도면.
도 10b는 본 발명인 면압인가수단을 분리판에 결합한 상태를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 연료전지의 스택 구조의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
설명에 앞서, 이하 설명되는 분리판(200,600)은 제1 분리판(600) 및 제2 분리판(200)을 포함하는 개념일 수 있다. 그리고 제1 분리판(600)이 양극(cathode)인 경우, 제2 분리판(200)은 음극(anode)이다. 반대로 제1 분리판(600)이 음극인 경우, 제2 분리판(200)은 양극이다. 즉 제1,2 분리판(600,200)은 서로 반대의 전극을 나타낸다.
그리고 이하 설명되는 가스확산층(300,500)은 제1 가스확산층(500) 및 제2 가스확산층(300)을 포함하는 개념일 수 있다. 그리고 제1 가스확산층(500)이 양극(cathode)인 경우, 제2 가스확산층(300)은 음극(anode)이다. 반대로 제1 가스확산층(500)이 음극인 경우, 제2 가스확산층(300)은 양극이다. 즉 제1,2 가스확산층(500,300)은 서로 반대의 전극을 나타낸다.
이하에서는 면압인가수단(700) 배치에 대한 설명의 편의를 위해 제1 분리판(600)은 양극 분리판, 제1 가스확산층(500)은 양극 가스확산층, 제2 분리판(200)은 음극 분리판, 제2 가스확산층(300)은 음극 가스확산층으로 한정하여 설명하도록 한다. 이 경우는 면압인가수단(700)이 양극에 배치되는 경우로 설명하는 것이다.
도 2a 및 도 2b에서는 제2 분리판(200)에 채널부와 랜드부가 표시되지 않으나, 이는 제1 분리판(600)과 제2 분리판(200)이 서로 90도 각도로 직교되게 배치되기 때문에 표시되지 않은 것으로서, 역시 일반적인 분리판과 같이 채널부와 랜드부가 가공되어 있다.
한편, 면압인가수단(700)은 음극에 배치될 수 있으며, 이 경우 제1 분리판(600)은 음극 분리판, 제1 가스확산층(500)은 음극 가스확산층, 제2 분리판(200)은 양극 분리판, 제2 가스확산층(300)은 양극 가스확산층으로 변경되고, 그에 맞게 이하 설명되는 '공기'와 '연료'의 공급 경로가 변경될 것이다.
도 2a, 도 2b 및 도 3을 참고하면, 본 발명인 연료전지 스택의 구조(100)는 막전극 접합체(400), 제2 가스확산층(300), 제2 분리판(200), 제1 가스확산층(500), 제1 분리판(600) 및 면압인가수단(700)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 막전극 접합체(400)는 도면으로 도시하지는 않았으나, 기본적으로 막전극 접합체(400)에서 수소이온이 전달되는 고분자 전해질막을 사이에 두고 양측으로 연료(수소)가 공급되는 애노드 전극과 공기(산소)가 공급되는 캐소드 전극을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 막전극 접합체(400)에서는 연료(수소)와 공기 중 산소간에 전기화학반응이 일어나는 공간일 수 있다.
상기 제2 가스확산층(300)은 상기 막전극 접합체(400)의 일측면에 배치되고, 연료(수소)가 확산되는 층일 수 있다. 그리고 상기 제2 분리판(200)은 상기 제2 가스확산층(300)의 외측에 배치될 수 있으며, 연료가 상기 제2 가스확산층(300)으로 공급되도록 하는 채널일 수 있다.
상기 제1 가스확산층(500)은 상기 막전극 접합체(400)의 타측면에 배치되고, 공기가 확산되는 층일 수 있다. 그리고 상기 제1 분리판(600)은 상기 제1 가스확산층(500)의 외측에 배치될 수 있으며, 공기가 상기 제1 가스확산층(500)으로 공급되도록 하는 채널일 수 있다.
상기 면압인가수단(700)은 상기 제1 분리판(600)과 상기 제1 가스확산층(500) 사이에 배치되고, 상기 제1 분리판(600)이 상기 제1 가스확산층(500)을 균일한 면압으로 가압하도록 제공될 수 있다.
여기서, 상기 제1 분리판(600)은 랜드부(610) 및 채널부(630)를 포함할 수 있다. 상기 랜드부(610)는 상기 제1 가스확산층(500) 방향으로 돌출되고, 상기 면압인가수단(700)에 접하는 부위일 수 있다. 상기 채널부(630)는 상기 랜드부(610)에 절곡되어 연결되고, 상기 제1 가스확산층(500)의 반대방향으로 돌출된 부위일 수 있다. 그리고 상기 랜드부(610)와 상기 채널부(630)는 복수의 열을 이루며 서로 교대로 배치될 수 있다.
이에 따라 상기 채널부(630)의 내부와 상기 면압인가수단(700)이 형성하는 공간은 공기가 통과하는 공기유로(Y1)가 형성될 수 있으며, 상기 채널부(630)의 외부와 상기 랜드부(610)의 외부가 형성하는 공간은 냉각공기가 통과하는 냉각유로(Y2)가 형성될 수 있다.
팬이 작동되면 연료전지의 스택으로 공기가 공급된다. 공급된 공기는 상기 제1 분리판(600)으로 유입되는데, 그 중 상기 공기유로(Y1)를 통과하는 공기는 상기 제1 가스확산층(500)으로 확산되며 상기 막전극 접합체(400)에 산소를 공급하게 된다.
또한 공급된 공기 중 상기 냉각유로(Y2)를 통과하는 공기는 막전극 접합체(400)에서의 전기화학반응에 따라 발생되는 열에 의해 가열된 스택을 냉각하는 데 사용된다.
본 발명의 실시예에서 상기 면압인가수단(700)은 판 형상일 수 있다. 상기 면압인가수단(700)은 상기 복수개의 랜드부(610)에 의해 가압되어 상기 제1 가스확산층(500)에 균일한 압력을 인가할 수 있다.
그리고 도 3을 참고하면, 상기 판 형상의 면압인가수단(700)에는 복수개의 관통홀(720)이 형성될 수 있다. 상기 관통홀(720)은 상기 공기유로(Y1)를 흐르는 공기가 상기 제1 가스확산층(500)으로 유입되는 통로일 수 있다.
도 2b를 참고하면, 상기 제1 분리판(600)과 상기 제1 가스확산층(500) 사이에 상기 면압인가수단(700)이 배치된 모습을 확인할 수 있다.
상기 면압인가수단(700)은 상기 랜드부(610)에 의해 가압되며 상기 제1 가스확산층(500)에 균일한 면압(F0,F1)을 인가하게 된다. 즉 도 1b에 개시된 종래 스택은 랜드부(61)에 의해 F0에 해당하는 면압만이 제1 가스확산층(50)에 인가되었지만, 본 발명의 실시예에서는 상기 랜드부(610)가 상기 면압인가수단(700)을 가압할 때, 상기 면압인가수단(700)이 상기 제1 가스확산층(500) 전체를 덮는 판 형상임에 따라 상기 면압인가수단(700)이 상기 제1 가스확산층(500) 전체를 균일한 면압(F0,F1)으로 가압하는 것이다.
이에 따라 도 1b에 개시된 종래 스택에서는 랜드부(61)가 가압하는 제1 가스확산층(50)의 영역이 적어 접촉저항이 증가되었으나, 본 발명의 실시예에서는 상기 랜드부(610) 대신에 상기 면압인가수단(700)이 상기 제1 가스확산층(500) 전체를 접촉하며 가압하므로 접촉저항이 감소되게 된다.
다음, 상기 관통홀(720)은 기본적으로 상기 판 형상의 면압인가수단(700)상에서 상기 채널부(630)에 대응되는 영역에 형성될 수 있다. 이는 공기유로(Y1)를 흐르는 공기가 상기 제1 가스확산층(500)으로 유입될 수 있도록 하기 위함이다.
그리고 상기 관통홀(720)은 상기 판 형상의 면압인가수단(700)상에서 상기 랜드부(610)에 대응되는 영역에도 형성될 수 있다. 실제로 공기 중 산소는 눈에 보이지 않을 정도로 굉장히 작은 분자이므로, 상기 랜드부(610)와 상기 면압인가수단(700)간에 형성되는 틈으로 유입될 수 있다. 이렇게 유입된 공기 또한 상기 관통홀(720)을 통해 상기 제1 가스확산층(500)으로 유입될 수 있도록 하는 것이다.
이와 같이 상기 관통홀(720)이 상기 면압인가수단(700)상에 전반적으로 형성되어 있음에 따라 공기는 상기 관통홀(720)을 통해 상기 제1 가스확산층(500) 전역에 걸쳐 유입될 수 있도록 한다.
한편, 도 2b에 도시된 것과 같이, 상기 판 형상의 면압인가수단(700)이 배치되는 영역에서, 상기 제1 가스확산층(500)과 상기 막전극 접합체(400) 사이에서는 수화영역(R2)이 넓게 형성되며, 상기 막전극 접합체(400)의 건조현상을 방지하게 된다. 이러한 수화영역(R2)은 수소와 산소의 전기화학반응에서 생성된 생성물일 수 있으며, 상기 면압인가수단(700)에 의해 일부는 외부로 방출되지 않고 잔류하게 되어 막전극 접합체(400)의 건조현상을 막게 된다.
도 1b를 참고하면, 종래에는 랜드부(61)가 가압하는 영역에서만 국부적으로 수화영역(R1)이 형성됨에 막전극 접합체(40)의 전체 영역에서 건조현상을 억제하지는 못하는 문제가 있었다.
그런데 본 발명의 실시예에서는 상기 랜드부(610)가 상기 면압인가수단(700)을 가압함에 따라 상기 제1 가스확산층(500)에 균일하게 면압이 인가되어, 상기 제1 가스확산층(500)과 상기 막전극 접합체(400) 사이에서는 수화영역(R2)이 종래보도 넓게 형성될 수 있다. 그에 따라 막전극 접합체(400)의 전체영역에서 수화영역(R2)이 형성되어 건조현상을 방지하는 영역 또한 넓어지게 되는 기술적 특징이 있게 되는 것이다.
즉, 상술한 구조에 따라 본 발명의 실시예에서는 공냉식 연료전지 스택에서 제1 분리판(600)과 제1 가스확산층(500) 사이에 복수개의 관통홀(720)이 형성된 면압인가수단(700), 예컨대 다공판과 같은 구성요소를 배치하여 제1 가스확산층(500)에 균일한 면압이 인가되도록 하여 접촉저항을 완화하는 기술적 특징이 있는 것이다.
그리고 다공판과 같은 구성을 배치됨에 따라 제1 가스확산층(500)과 막전극 접합체(400) 사이에 수화영역(R2)을 넓게 형성할 수 있게 되고, 이는 막전극 접합체(400)의 건조현상을 방지하는 기술적 특징을 발휘한다.
궁극적으로는 전반적인 연료전지 스택의 출력 효율을 향상시키는 기술적 특징이 있다.
한편, 도면으로 도시하지는 않았으나, 복수개의 관통홀(720)이 형성된 다공판 형태의 상기 면압인가수단(700)은 상기 제2 분리판(200)과 상기 제2 가스확산층(300) 사이에 배치될 수 있다.
이 경우 상기 면압인가수단(700)은 상기 제2 분리판(200)에 의해 가압되어 상기 제2 가스확산층(300)에 균일한 압력을 인가할 수 있다. 즉 제2 분리판(200)에 의한 면압이 균일하게 제2 가스확산층(300)에 인가되도록 할 수 있다.
상기 제2 분리판(200)과 상기 제2 가스확산층(300) 사이에 상기 면압인가수단(700)이 배치되는 경우, 상기 제2 가스확산층(300)의 두께, 압축률 등의 사양이 변경되더라도, 상기 판 형태의 면압인가수단(700)이 지지판 또는 변형방지판의 역할을 수행함으로써, 상기 제2 분리판(200)의 변형을 억제 또는 완화할 수 있다.
이는 상기 면압인가수단(700)이 상기 제1 분리판(600)과 상기 제1 가스확산층(500) 사이에 배치되는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
제작자의 설계조건에 따라 제1 또는 제2 가스확산층(300,500)의 사양이 변경될 수 있는데, 이 경우 제1 또는 제2 가스확산층(300,500)의 두께 및 압축률 변경에 따라 스택 체결압 증가 현상이 발생할 수 있다.
이때 제1 분리판(600)과 제1 가스확산층(500) 사이 또는 제2 분리판(200)과 제2 가스확산층(300) 사이에 면압인가수단(700)을 배치함에 따라, 가스확산층(300,500)의 사양이 변경되더라도 면압을 고르게 분산시킬 수 있어, 스택 체결압 증가현상을 억제하거나 그 증가 정도를 완화할 수 있다. 결과적으로는 스택을 이루는 제1 또는 제2 분리판(200,600)의 변형을 완화하거나 방지하는 효과를 발휘하게 된다.
이하에서는 도 3 내지 도 9를 참고하여, 연료전지 스택의 출력 효율이 얼마만큼 향상되는지에 대해 설명하도록 한다.
우선 도 4를 참고하면, X1은 기존 연료전지 스택 구조에 따른 시간에 따른 출력값 변화를 나타내고, X2는 본 발명인 연료전지 스택 구조에 따른 시간에 따른 출력값 변화를 나타내고 있다.
실험조건은 실험공간 온도 23.7℃, 실험공간 습도 33.1%, 전극 온도 60.7℃, 팬출력 5.4W, 전류값 35A, 전류밀도 0.55A/cm2, 연료전지 전압 0.646V이다.
상술한 동일한 조건에서 실험 결과, 기존 연료전지 스택(X1)은 대략적으로 1300W 내외의 출력이 발생하였다.
그에 반해 본 발명인 연료전지 스택(X2)은 대략적으로 1670W 내외의 출력이 발생하였다.
즉 대략 300W 내외의 출력이 증가하였다. 그 원인을 찾는다면, 상기 면압인가수단(700)이 상기 제1 가스확산층(500)을 고르게 가압함에 따라 상기 막전극 접합체(400) 전역에 걸쳐 수화영역(R2)이 형성되었고, 이에 따라 막전극 접합체(400)에서 건조된 영역이 상대적으로 많이 줄게 되었으며, 이는 막전극 접합체(400)상에서 내부 저항 증가를 억제하여 이온전도도가 향상되었기 때문이다. 결과적으로는 스택 성능이 향상된 것이다.
한편, 연료전지 스택의 출력이 향상됨에 따라 연료전지를 장착한 드론의 페이로드값은 향상되게 된다.
하기 [표 1]을 참고하면, 다공판 형태의 면압인가수단(700)이 연료전지 파워팩 장비의 스택에 장착됨에 따라 스택 무게는 증가하게 되고, 스택 무게 증가로 인한 페이로드값 손실은 -0.22kg으로 볼 수 있다. 본 발명에서는 면압인가수단(700)의 무게를 0.22kg으로 설정하였다.
그리고 스택의 출력 증가로 인해 페이로드값 증가는 +2.2kg 으로 계산될 수 있다. 대략 300W 가량의 출력이 증가하였으므로, 300W 내외의 출력이 2.2kg에 해당하는 무게를 더 운반할 수 있다.
결과적으로는 면압인가수단(700)이 배치되더라도 순페이로드값은 +1.98kg이 증가하게 된다. 즉 면압인가수단(700)의 무게로 인한 페이로드값 손실보다는 면압인가수단(700)이 배치됨에 따른 출력 증가로 페이로드값 증가폭이 더 크므로, 페이로드값 변화 측면에서는 유리하다고 볼 수 있다.

구분		 스택 무게 증가로 인한 페이로드(payload) 손실(kg) 출력 증가로 인한 페이로드(payload) 증가(kg) 순페이로드(net payload) 증가분(kg)

면압인가수단 적용
연료전지 파워팩

-0.22

+2.2
+1.98
다음으로, 도 5을 참고하면, 전류밀도에 따른 스택 거동을 나타내고 있다.
본 실험데이터는 면압인가수단(700)을 제1 분리판에 배치하였을 때에, 면압인가수단(700)에 형성된 복수개의 관통홀(720)에 대한 각 공극률(porosity ; % )당 출력값을 나타낸다.
예컨대 48%는 다공판 형태의 면압인가수단(700)의 공극률이 전체 면적 대비 48%임을 나타낸다.
본 발명에서는 48%(P1), 44%(P2), 40%(P3), 20%(P4)로 각각 정의한다.
본 실험조건은 스택 출구온도 60℃, 퍼지주기 3s/200ms, 가스압 0.9bar 이다.
전반적으로 전류밀도가 0.4A/cm2 -> 0.5A/cm2 -> 0.55A/cm2 -> 0.6A/cm2 으로 높아질수록 전압값은 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
그리고 대체로 44% 인 경우, 즉 복수개의 관통홀(720)이 형성된 판 형상의 면압인가수단(700) 전반에서 관통홀(720)이 차지하는 공극률이 43~45% 범위내일 때 비교적 높은 전압값이 형성됨을 확인할 수 있다.
도 6 내지 도 9에서는 도 5에 개시된 전류밀도에 따른 스택 거동을 각 전류밀도별로 세분화하여 나타내고 있다.
우선 도 6을 참고하면, 전류밀도 0.4A/cm2 인 경우에서는 대체로 44%(P2) > 20%(P4) > 40%(P3) > 48%(P1) 로 전압값이 상대적으로 높게 형성되고 있음을 알 수 있다. 결론적으로 전류밀도 0.4A/cm2 인 경우, 44%(P2) 즉 공극률이 43~45% 범위내인 경우, 바람직하게는 44%인 경우에 최대전압을 보이고 있다.
다음 도 7을 참고하면, 전류밀도 0.5A/cm2 인 경우에서는 대체로 44%(P2) > 20%(P4) ≒ 40%(P3) > 48%(P1) 순으로 전압값이 상대적으로 높게 형성되고 있음을 알 수 있다. 20%(P4)와 40%(P3)는 대체로 유사한 전압 범위를 형성하고 있다. 결론적으로 전류밀도 0.5A/cm2 인 경우, 44%(P2) 즉 공극률이 43~45% 범위내인 경우, 바람직하게는 44%인 경우에 최대전압을 보이고 있다.
다음 도 8을 참고하면, 전류밀도 0.55A/cm2 인 경우에서는 대체로 44%(P2) > 20%(P4) ≒ 40%(P3) ≒ 48%(P1) 순으로 전압값이 상대적으로 높게 형성되고 있음을 알 수 있다. 20%(P4)와 40%(P3) 및 48%(P1)는 비교적 유사한 전압 범위를 형성하고 있다. 결론적으로 전류밀도 0.55A/cm2 인 경우, 44%(P2) 즉 공극률이 43~45% 범위내인 경우, 바람직하게는 44%인 경우에 최대전압을 보이고 있다.
다음 도 9를 참고하면, 전류밀도 0.6A/cm2 인 경우에서는 대체로 44%(P2) > 48%(P1) > 40%(P3) > 20%(P4) 순으로 전압값이 상대적으로 높게 형성되고 있음을 알 수 있다. 결론적으로 전류밀도 0.6A/cm2 인 경우, 44%(P2) 즉 공극률이 43~45% 범위내인 경우, 바람직하게는 44%인 경우에 최대전압을 보이고 있다.
종합하자면, 전류밀도 0.4A/cm2 ~ 0.6A/cm2 범위내에서 실험한 결과, 모든 경우에서 44%(P2)인 때에 가장 높은 전압값 범위를 형성하였다.
즉 면압인가수단(700)에서 관통홀(720)이 형성하는 공극률이 43~45%, 바람직하게는 44%인 경우에 최대 전압이 발생함을 확인할 수 있었다.
결론적으로, 44%(공극률 44%) 인 경우에 가장 높은 출력값이 발생함을 확인할 수 있었으며, 이는 다공판 형태의 면압인가수단(700)을 적용할 때, 복수개의 관통홀(720)이 형성하는 공극률이 면압인가수단(700)의 전체 면적 대비 43~45%, 바람직하게는 44%일 때에 가장 높은 출력값을 형성함을 나타낸다.
이를 효과적으로 설명하면, 복수개의 관통홀(720)이 형성하는 공극률이 44%일 때에, 막전극 접합체(400)에 수화영역을 고르게 형성하여 건조현상을 최대한 억제할 수 있고, 동시에 막전극 접합체(400)에 안정적으로 공기를 공급할 수 있는 공극률 범위임을 나타낸다.
한편, 도 10a을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 면압인가수단(700)이 실제 제작되는 다공판 형태를 나타내고 있다. 실제 제작되는 다공판에서 복수개의 관통홀(720)이 형성하는 공극률은 대략 판 면적 대비 44% 정도에 해당하게 된다.
그리고 도 10b을 참고하면, 상기 면압인가수단(700)이 제1 분리판(600)의 랜드부(610)에 용접되어 접합된 상태를 나타내고 있다. 상기 면압인가수단(700)은 상기 복수개의 랜드부(610)에 의해 가압되며 상기 제1 가스확산층(500)에 균일한 면압을 인가하면 수화영역을 형성하게 된다.
상술한 연료전지의 스택 구조와 실험데이터를 종합하면, 본 발명은 공냉식 연료전지 스택에서 제1 분리판(600)과 제1 가스확산층(500) 사이에 다공판을 배치하여 제1 가스확산층(500)에 균일한 면압이 인가되도록 하여 접촉저항을 완화하는 기술적 특징을 가지며, 또한 다공판이 배치됨에 따라 제1 가스확산층(500)과 막전극 접합체(400) 사이에 수화영역을 넓게 형성함으로써, 막전극 접합체(400)의 건조현상을 방지하는 기술적 특징을 가진다. 궁극적으로는 전반적인 스택의 출력을 향상시키는 효과를 발휘한다.
이상의 사항은 연료전지의 스택 구조의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
본 발명은 연료전지의 스택 구조에 관한 것으로 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (11)

  1. 공기와 연료간에 전기화학반응이 일어나는 막전극접합체;
    상기 막전극접합체의 양면에 배치되고, 공기 또는 연료가 확산되는 가스확산층; 및
    상기 가스확산층의 외측에 배치되는 분리판;
    상기 분리판과 상기 가스확산층 사이에 배치되고, 상기 분리판이 상기 가스확산층을 균일한 면압으로 가압하도록 하는 면압인가수단;
    을 포함하는 연료전지의 스택 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리판은,
    상기 가스확산층 방향으로 돌출되고, 상기 면압인가수단에 접하는 랜드부; 및
    상기 랜드부에 절곡되어 연결되고, 상기 가스확산층의 반대방향으로 돌출된 채널부;를 포함하고,
    상기 랜드부와 상기 채널부로 복수의 열을 이루며 서로 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 채널부의 내부와 상기 면압인가수단이 형성하는 공간은 공기가 통과하는 공기유로;가 형성되고,
    상기 채널부의 외부와 상기 랜드부의 외부가 형성하는 공간은 냉각공기가 통과하는 냉각유로;가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 면압인가수단은 판 형상이고, 복수개의 상기 랜드부에 의해 가압되어 상기 가스확산층에 균일한 압력을 인가하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 판 형상의 면압인가수단에는 관통홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 판 형상의 면압인가수단상에서 상기 관통홀은 상기 채널부에 대응되는 영역에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 판 형상의 면압인가수단상에서 상기 관통홀은 상기 랜드부에 대응되는 영역에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 판 형상의 면압인가수단이 배치되는 영역에서, 상기 가스확산층과 상기 막전극접합체 사이에서는 수화영역이 형성되며, 상기 막전극접합체의 건조현상을 방지하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 관통홀은 상기 판 형상의 면압인가수단상에 복수개가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 판 형상의 면압인가수단상에 복수개의 관통홀이 형성됨에 따라,
    상기 면압인가수단의 면적 대비 상기 관통홀의 전체 공극율은 20 ~ 48 % 범위내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
  11. 제10항에 있어서,
    인가 전류 대비 최대 출력은 상기 관통홀의 전체 공극율이 43~45 % 범위내일 때인 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008176971A (ja) * 2007-01-17 2008-07-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質形燃料電池
KR20110062360A (ko) * 2009-12-03 2011-06-10 현대자동차주식회사 메쉬층을 갖는 연료전지 셀
KR101240973B1 (ko) * 2010-09-29 2013-03-11 기아자동차주식회사 국부 친수성 가스 확산층과 이를 포함하는 연료전지 스택
KR20130065171A (ko) * 2011-12-09 2013-06-19 현대자동차주식회사 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지
KR20180092643A (ko) * 2017-02-10 2018-08-20 주식회사 엘지화학 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008176971A (ja) * 2007-01-17 2008-07-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質形燃料電池
KR20110062360A (ko) * 2009-12-03 2011-06-10 현대자동차주식회사 메쉬층을 갖는 연료전지 셀
KR101240973B1 (ko) * 2010-09-29 2013-03-11 기아자동차주식회사 국부 친수성 가스 확산층과 이를 포함하는 연료전지 스택
KR20130065171A (ko) * 2011-12-09 2013-06-19 현대자동차주식회사 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지
KR20180092643A (ko) * 2017-02-10 2018-08-20 주식회사 엘지화학 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택

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