KR100982327B1 - 연료 전지용 스택 및 이 스택을 갖는 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스택 체결구조를 단순화하여 분해,조립성이 우수하도록, 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 상기 전극-전해질 합성체의 측면에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기 생성부; 상기 전기생성부의 외측으로 감기는 적어도 하나 이상의 체결 밴드; 상기 밴드의 선단에 설치되어 밴드를 조이고 풀어 전기생성부를 체결 고정하는 조임수단을 포함하는 연료 전지용 스택을 제공한다.

밴드, 조임수단, 웜, 나선공

Description

연료 전지용 스택 및 이 스택을 갖는 연료 전지 시스템{STACK FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 결합된 상태를 도시한 사시도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 일부 구성을 도시한 분해 사시도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 체결 작용을 설명하기 위한 단면도,

도 6과 도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 스택을 도시한 일부 절개 사시도,

도 8은 종래기술에 따른 연료 전지용 스택 체결구조를 도시한 측면도이다.

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지를 이루는 스택 단위 셀들의 체결과 분해가 용이한 연료 전지용 스택 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템으로, 연소 과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.

근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)를 이용한 연료 전지 시스템은 기본적으로 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.)와, 연료 탱크, 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프를 포함하며, 필요에 따라 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)를 포함할 수 있다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택은 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산해 내게 된다.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스 택은 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착되어 수소 가스와 공기를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA)와, 수소 가스와 공기를 전극-전해질 합성체로 공급하기 위해 전극-전해질 합성체 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 단위 셀이 연속적으로 적층됨으로써 구성된다. 이때 스택의 최외측에 각각 위치하는 바이폴라 플레이트는 엔드 플레이트라고 정의한다.

상기한 구조의 스택은 연료의 누출을 방지하고 전지로서의 구조를 갖추기 위해 적층되어 있는 다수의 셀들을 하나로 체결 고정시켜야 하며, 이를 위해 통상 접착제를 이용하여 각 구성부를 하나로 접착시키거나 앤드플레이트를 통해 상기 셀들을 일정 압력으로 눌러 체결하는 방식이 사용된다.

앤드플레이트를 이용한 가압식 체결구조는 도 8에 잘 도시되어 있는 데, 도 8에 도시된 종래 기술에 따른 연료전지 스택 체결 구조는 연료전지 스택(200)의 양측 단부를 지지하는 두 개의 엔드 플레이트(210)에 형성된 홀을 관통하는 체결봉(220)과, 상기 체결봉(220) 끝단에 형성된 수나사에 체결되어 상기 엔드 플레이트에 고정하는 너트(230)를 포함한다.

따라서 상기 홀을 관통한 체결봉의 양 끝단에 형성된 수나사에 암나사가 형성된 너트를 각각 체결함으로써 양 엔드 플레이트를 눌러 스택을 적정한 압력으로 체결 고정할 수 있게 되는 것이다.

그런데, 상기한 종래의 구조는 볼트와 너트, 와셔 등의 부품이 많이 들어 원가의 상승을 초래하며, 조립작업과 분해작업에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있 다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스택 체결구조를 단순화하여 분해,조립성이 우수한 연료전지용 스택 및 연료전지 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스택을 형성하는 적어도 하나의 전기 생성부가 밴드에 의해 묶여져 체결 고정됨을 그 요지로 한다.

이를 위해 본 발명의 연료전지 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 상기 전극-전해질 합성체의 측면에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기 생성부를 구비하고, 상기 전기생성부의 외측으로 체결 밴드가 감기고 상기 밴드의 선단에 설치된 조임수단을 통해 상기 밴드가 조여져 전기생성부를 체결 고정하는 구조로 되어 있다.

상기 밴드는 그 폭의 크기에 있어서, 특별히 한정되지 않으며 스택에 대해 하나 또는 둘 이상이 설치될 수 있다.

또한, 상기 밴드가 두 개 이상 설치되는 경우 전기 생성부에 대해 일정 간격을 두고 평행하게 설치되거나, 십자 형태로 엇갈려 설치될 수 있다.

여기서 상기 밴드는 부도체로 이루어지며, 바람직하게는 열변형이 적은 재질로 이루어진다.

한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 상기 전극-전해질 합성체의 측면에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기 생성부를 구비하고, 상기 전기생성부의 외측으로 감기는 체결 밴드와, 상기 밴드의 선단에 설치되어 상기 밴드를 조이는 조임수단을 포함하는 스택과; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 스택으로 냉각매체를 순환시켜 스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치를 포함한다.

상기 연료 전지 시스템은 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기를 더욱 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어질 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어질 수도 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다.

먼저 도 1을 참조하여 본 시스템을 설명하면 다음과 같다.

상기한 도면에 의하면, 본 시스템은 본 시스템(100)은 기본적으로 액상의 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기(20)와, 개질기(20)에 의해 생성된 수소 가스와 외부 공기의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(10)과, 상기한 액상의 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급부(30)와, 전기 생성을 위한 공기를 스택(10)으로 공급하는 공기 공급부(40) 및 스택을 냉각시키기 위한 냉각장치(70)를 포함하여 구성된다.

물론, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)방식의 경우 개질기가 배제된 구조를 가진다. 이하에서는 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템을 예로 들어 설명하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 개질기(20)는 개질 반응에 의해 액상의 연료를 스택(10)의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 전환할 뿐만 아니라, 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 장치이다. 통상적으로 상기한 개질기(20)는 액상의 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질부와, 그 수소 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함한다. 개질부는 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고 일산화탄소 저감부는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

상기 연료 공급부(30)는 개질기(20)와 연결 설치되는 것으로서, 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 연료 탱크(31)에 연결 설치되는 연료 펌프(33)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(33)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(31)에 저장된 액상의 연료를 그 탱크의 내부로부터 배출시키는 기능을 갖는다. 이 때 연료 공급부(30)와 개질기(20)는 제1 공급라인(91)에 의해 연결 설치될 수 있다.

공기 공급부(40)는 스택(10)과 연결 설치되며, 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 스택(10)으로 공급할 수 있는 공기 펌프(41)를 구비한다. 이 때 스택(10)과 공기 공급부(40)는 제3 공급라인(93)에 의해 연결 설치될 수 있다.

한편, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 결합된 상태를 도시한 사시도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 일부 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 체결 작용을 설명하기 위한 단면도이다.

상기 도면을 참고하면 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 개질기(20)를 통해 개질된 수소 가스와 외부 공기를 공급받아 이들의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비한다.

상기한 각각의 전기 생성부는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미한다.

상기 전기 생성부는 수소 가스와 공기를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA)(11)와, 수소 가스와 공기를 전극-전해질 합성체로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(12)를 포함한다. 이러한 전기 생성부는 전극-전해질 합성체(11)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(12)가 각각 배치된다. 이로서 스택(10)은 위와 같은 복수의 전기 생성부가 연속적으로 배치됨으로써 구성된다. 이때 스택(10)의 최외측에 각각 위치하는 바이폴라 플레이트는 엔드 플레이트(13)라고 정의한다.

여기서 본 연료 전지는 상기 적층되어 스택을 이루는 전기생성부의 외측에 체결 밴드(14)가 감겨지고, 상기 체결 밴드(14)는 밴드(14) 선단에 설치되는 조임수단에 의해 조여져 전기생성부를 일정 압력으로 체결 고정하는 구조로 되어 있다.

상기 조임수단은 밴드(14)를 연결시킴과 더불어 전기 생성부에 대해 밴드(14)를 조이거나 풀기 위한 것으로 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 밴드(14)의 일측 선단에 설치되는 브라켓(15)과 이 브라켓(15)을 덮는 덮개(16), 상기 덮개(16) 내측에 밴드(14)의 길이방향으로 놓여져 회전가능하게 설치되는 웜(17), 상기 브라켓(15)과 웜(17)사이로 진입되는 상기 밴드(14)의 타측 선단에 형성되어 상기 웜(17)에 맞물리는 나선공(18)을 포함한다.

이에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 상기 웜(17)을 회전시키게 되면 웜(17)에 나선공(18)을 매개로 물려 있는 밴드(14)의 자유단이 브라켓(15)에 대해 이동되어 스택(10)을 조이거나 조임을 해제하게 되는 것이다.

즉, 밴드(14)에 설치된 브라켓(15)을 스택을 구성하는 전기생성부의 최외측 엔드플레이트(13) 위에 위치시키고 밴드(14)를 스택(10)에 휘감은 상태에서 상기 밴드(14)의 자유단을 브라켓(15)과 웜(17) 사이의 공간으로 진입시키고 상기 웜(17)을 치구를 이용하여 일방향으로 돌려주게 되면 웜(17)이 회전되면서 웜(17)에 형성된 나사가 밴드(14)에 형성된 나선공(18)과 맞물리면서 브라켓(15)에 고정되어 있는 웜(17)에 대해 밴드(14)가 이동하게 된다.

따라서 밴드(14) 자유단이 브라켓(15)을 지나 계속 이동하게 되어 결과적으로 전기생성부에 대해 밴드(14)가 조여져 전기생성부를 체결 고정시키게 되는 것이 다.

이때 상기 밴드(14)는 자체적으로 장력이 걸리게 되어 풀어지려는 성질을 갖게 되나 상기 웜(17)의 특성상 웜(17)에 형성된 나사가 밴드(14)에 형성된 나선공(18)에 맞물려 있어서 현 체결 상태를 그대로 유지하게 된다.

여기서 상기 웜(17)은 브라켓(15)과 덮개(16) 사이에서 자체적으로 회전가능하게 장착되며 일측 선단에는 웜(17)을 용이하게 회전시킬 수 있도록 랜치나 드라이버 등의 치구가 체결되는 돌기 또는 일자나 십자홈이 형성된다. 예컨대, 도 3은 밴드(14)를 조이고 푸는 데 십자드라이버가 사용될 수 있도록 웜(17) 선단에 십자홈(19)이 형성되어 있음을 잘 예시하고 있다.

상기 체결 밴드(14)는 스택을 이루는 각 전기 생성부와 접촉된다는 것을 고려할 때 그 재질은 부도체로 이루어져 각 바이폴라 플레이트를 전기적으로 통전시키지 않도록하고, 열변형이 적고 스택 체결압을 지속적으로 견딜 수 있는 재질이 사용되며, 바람직하게는 표면에 절연물질이 코팅된 연강 또는 합금강이나 경합금강 등이 사용될 수 있다. 상기 연강이라 함은 탄소 함유량이 0.2% 전후인 강을 말하고, 합금강으로는 내열 합금강으로서 크롬과 니켈의 함유량이 많은 금속을 주로 이용하게 되며 내식성이 강한 크롬강과 스테인리스 강도 적용 가능하고, 무게를 줄이기 위해서 알루미늄이나 마그네슘 합금강 등의 경합금강이 사용될 수 있다.

또한, 상기 나선공(18)은 밴드(14) 전체에 걸쳐 형성될 필요는 없으며 자유단 끝단에서 체결시 필요한 길이까지만 형성시킴이 바람직하다.

그리고 도 6과 도 7은 본 발명의 또다른 실시예를 예시하고 있는 데, 상기한 도면에 의하면 전기생성부를 조여 체결하는 밴드(14)는 두 개가 구비되어 일정 간격을 두고 서로 평행하게 설치되는 구조로 되어 있다.

또한, 전기생성부에 체결되는 두 개의 밴드(14)가 각각 다른 면에서 체결되어 십자 형태로 엇갈려 설치될 수 있다.

상기한 구조의 경우 밴드(14)에 걸리는 체결압을 분산시킬 수 있으며 전기생성부의 체결력을 높일 수 있는 잇점을 제공하게 된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 간단한 구조로 되어 볼트나 너트 등의 스택 조립에 필요한 부품의 수를 줄일 수 있고 이에 따라 원가를 절감할 수 있게 된다.

또한, 엔드 플레이트의 크기를 줄임으로써 스택의 크기를 최소화할 수 있게 된다.

또한, 스택 조립 공정을 줄여 생산량을 증대시킬 수 있게 된다.

또한, 스택 조립과 분해가 용이하여 수리시 스택 분리에 소요되는 시간과 노력을 줄일 수 있게 된다.

Claims (9)

1. 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 상기 전극-전해질 합성체의 측면에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기 생성부;

   상기 전기생성부의 외측으로 감기는 적어도 하나 이상의 체결 밴드;

   상기 밴드의 선단에 설치되어 밴드를 조이고 풀어 전기생성부를 체결 고정하는 조임수단을 포함하고,

   상기 조임수단은 상기 밴드의 일측 선단에 설치되는 브라켓과, 이 브라켓을 덮는 덮개, 상기 덮개 내측에 밴드의 길이방향으로 놓여져 회전가능하게 설치되는 웜, 상기 브라켓과 웜사이로 진입되는 상기 밴드의 타측 선단에 형성되어 상기 웜에 맞물리는 나선공을 포함하는 연료 전지용 스택.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 밴드는 스택에 대해 일정 간격을 두고 평행하게 설치되는 연료 전지용 스택.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 밴드는 스택에 대해 십자형태로 엇갈려 설치되는 연료 전지용 스택.
4. 삭제
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 밴드는 표면에 절연물질이 코팅된 연강 또는 합금강이나 경합금강 군에서 선택되는 연료 전지용 스택.
6. 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 상기 전극-전해질 합성체의 측면에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기 생성부, 상기 전기생성부의 외측으로 감기는 체결 밴드와, 상기 밴드의 선단에 설치되어 상기 밴드를 조이거나 푸는 조임수단을 포함하는 스택과;

   상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부;

   상기 스택으로 공기를 공급하는 공기공급부를 포함하고,

   상기 조임수단은 상기 밴드의 일측 선단에 설치되는 브라켓과, 이 브라켓을 덮는 덮개, 상기 덮개 내측에 밴드의 길이방향으로 놓여져 회전가능하게 설치되는 웜, 상기 브라켓과 웜사이로 진입되는 상기 밴드의 타측 선단에 형성되어 상기 웜에 맞물리는 나선공을 포함하는 연료 전지 시스템.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 스택과 연료 공급부 사이에, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 생성시키는 개질기가 더욱 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.

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