KR100700073B1 - 응측수 배출구조를 갖는 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지는 내부에 생성된 응축수를 용이하게 배출할 수 있도록, 고분자 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극 접합체와, 상기 막전극 접합체의 일측에 인접하여 배치되며 산화제 유로가 형성된 캐소드 분리판과, 상기 막전극 접합체의 타측에 인접하여 배치되며 연료 유로가 형성된 애노드 분리판,을 각각 포함하는 복수의 단위전지, 및 상기 단위전지들 중 적어도 어느 하나와 인접하여 설치되며, 상기 산화제 유로 또는 상기 연료 유로와 연통되는 입구 매니폴드 구멍에 응축된 응축수를 배출하는 응축수 유로가 형성되는 응축수 배출판을 포함한다.
연료 전지, 응축수 배출판, 산화제 유로, 연료 유로, 플러딩 현상

Description

응측수 배출구조를 갖는 연료 전지{FUEL CELL WITH DRAIN STRUCTURE OF CONDENSATE}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지를 도시한 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지의 산화제 측 응축수 배출판을 도시한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지의 연료 측 응축수 배출판을 도시한 정면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지를 도시한 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지를 도시한 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지의 응축수 배출판을 도시한 정면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지의 응축수 배출판을 도시한 정면도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료 전지의 응축수 배출판을 도시한 정면도이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 고분자 전해질형 연료 전지를 도시한 분해 사시도이다.
본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 응축수를 용이하게 배출할 수 있는 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 수소이온전도성 고분자 전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극 및 분리판으로 이루어지며, 특히 수소를 함유한 연료가스와, 공기 등의 산소를 함유하는 산화제가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기와 열을 동시에 발생시키는 전지를 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)라 한다. 이러한 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점이 있다.
상기의 전극은 백금족 금속 등의 금속촉매를 담지(擔持)한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층과, 이 촉매층의 바깥면에 형성되며 통기성과 전자도전성을 갖는 확산층으로 이루어진다. 상기 확산층은 일반적으로 탄소종이나 탄소부직포 등으로 이루어진다. 이와 같이 고분자 전해질막과 그 양쪽에 형성된 전극을 지칭하여 막전극 접합체 혹은 MEA(Membrane Electrode Assembly)라고 한다.
MEA 외측에는 이것을 기계적으로 고정함과 동시에, 인접하는 MEA를 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성의 분리판이 설치되어 단위전지를 이룬다. 분리판이 MEA와 접촉하는 부분에는, 전극면에 반응가스를 공급하고 잉여가스와 반응생성물을 운반하기 위한 유로가 형성된다. 상기 유로는 분리판과 별도로 설치될 수도 있지만, 분리판의 표면에 홈 형태로 형성되는 것이 일반적이다.
또한 도전성 분리판에는, 전기전도성, 가스 기밀성 및 내식성이 요구되기 때문에 종래에는 레진을 함침시킨 흑연판을 절삭 등의 가공으로 홈을 형성하거나 카본복합체 분말을 압축 성형하여 사용하는 방법 또는 금속판을 프레스 가공한 후 표면에 내식성 코팅을 하여 사용하는 방법이 적용된다.
통상의 연료 전지는 상기 MEA와 상기 MEA의 양측에 배치된 애노드 분리판과 캐소드 분리판으로 이루어지는 복수 개의 단위전지들이 적층된 구조로 이루어지며, 적층된 복수의 단위전지들의 최외측에는 전류를 추출하기 위한 집전판, 그리고 그 외곽에 외부와의 절연을 위한 절연판이 차례로 적층되고, 체결판 및 체결수단을 통하여 압축력을 가하여 고정된 구조로 이루어진다.
연료 전지는 통상 운전 중에 비가역성으로 인한 열이 발생하므로 이러한 열을 효율적으로 방출하기 위하여 1 내지 3개의 단위전지 마다 냉각 매체가 유동하는 냉각부가 설치된다.
상기 냉각부는 일 측에 연료가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 연료가스용 분리판과, 일 측에 산화제가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 산화제 가스용 분리판을 냉각 유로를 갖는 면끼리 접하게 포개어 구성하는 방법이 많이 사용된다.
또 다른 방법으로는, 일 측에 연료가스 유로를 구비하고 그 반대측에 유로가 형성되지 않은 평판을 구비한 연료가스용 분리판과, 일 측에 산화제가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 산화제 가스용 분리판을 냉각유로 측과 평판 측을 접하게 포개어 구성하는 방법도 사용된다.
연료 전지 외부에서 분리판의 표면에 형성된 가스유로로 반응가스 및 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각매체를 배출하기 위해서는 분리판에 각각의 연료가스, 산화제가스 및 냉각매체 별로 최소 2개 이상의 관통구멍을 형성하고, 가스유로의 입출구를 각각 이들의 관통구멍까지 연결시켜, 한쪽의 관통구멍으로부터 반응가스 혹은 냉각매체를 각각의 유로로 공급하고 다른 쪽의 관통구멍으로 잉여가스 및 반응생성물 혹은 냉각매체를 배출하는 것이 일반적인 방법이다.
상기 반응가스 및 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각매체를 배출하는 관통구멍을 통상 매니폴드(Manifold) 구멍이라고 한다.
분리판에 형성된 매니폴드 구멍은 연료 전지를 여러 장 적층하여 스택을 구성함에 있어서 적층 방향으로 매니폴드를 형성하게 되는데, 이러한 반응가스 및 냉각매체 공급방식을 내부 매니폴드 방식이라고 한다.
내부 매니폴드 방식 이외에, 분리판에 매니폴드 구멍을 형성하지 않고 분리판 외측에 가스 분배를 위한 배관이나 구조물을 형성하여 각각의 단위전지로 반응가스 혹은 냉각매체를 공급하고 그 반대편 분리판 외측에 잉여가스, 반응생성물 혹은 냉각매체의 배출을 위한 배관이나 구조물의 형성하는 방법도 사용되며, 이러한 반응가스 및 냉각매체 공급방식을 외부매니폴드 방식이라고 한다.
공급하는 반응가스 및 냉각매체가 외부로 누출되거나 서로 섞이지 않도록, 전극 및 매니폴드 주위에는 개스킷이 배치된다. 이 개스킷은 MEA와 일체화하여 조립할 수도 있고 분리판 위에 형성하여 조립할 수도 있으며, 스택 조립 후 실링제를 주입하여 성형하여 개스킷을 구성할 수도 있다.
고분자 전해질 연료 전지의 전해질막으로는 통상 퍼플루오르술폰산계의 재료가 사용된다. 이 고분자 전해질막은 수분을 함유한 상태에서 높은 프로톤(Proton) 전도성을 보이기 때문에 연료가스나 산화제가스를 가습하여 전극에 공급할 필요가 있다.
한편, 캐소드 측에서는 반응에 의해서 물이 생성되기 때문에, 전지의 동작온도보다 높은 이슬점 조건으로 가습된 산화제가스가 공급되면 전지내부의 가스유로나 전극내부에서 수증기의 응축이 발생하여 전극으로의 반응가스 공급을 방해하여 성능이 저하되는 문제가 있다.
이러한 현상을 플러딩(Flooding) 현상이라고 하며, 종래에는 플러딩 현상을 방지하고 연료 전지 성능을 안정화시키기 위하여 공급하는 반응가스의 이슬점온도를 연료 전지 운전온도보다 약간 낮게 가습하여 공급하는 방법이 사용되었다.
그러나, 반응가스의 이슬점온도를 연료 전지 운전온도보다 낮게 가습하여 공급하는 경우에도, 반응가스 입구 배관의 단열이 완벽할 수 없고, 입구 매니폴드 부분이 열이 발생하는 전극부분에 비해 온도가 낮기 때문에, 장시간 운전 시에는 입구 배관과 매니폴드에 응축수가 발생하는 문제가 있다.
이 응축수는 매니폴드에 누적되게 되고 시간이 지남에 따라 매니폴드에 누적된 응축수는 연료 가스 또는 산화제 가스와 함께 가스 유로로 섞여 들어가게 된다.
가스유로로 들어간 응축수는 유로 채널을 가로막아 가스유로 내부로의 반응가스 흐름을 방해하게 되고, 이에 따라 연료 전지는 가스 부족 현상을 겪게 된다. 또한 응축수가 존재하는 부근의 전극에서는 반응 생성물인 수증기의 응축이 더욱 가속화되어 플러딩 현상이 심화된다.
특히 애노드 측에서 이러한 응축수에 의한 가스유로 막힘 현상이 발생한 경우에는 연료가스의 결핍을 초래하고, 이것은 전극의 비가역적 손상을 초래하게 된다.
이것은 연료가스가 부족한 상태로 부하전류가 강제로 가해지면 연료가 없는 상태에서 전자와 프로톤을 만들기 위해서 애노드의 촉매를 담지하고 있는 카본이 물과 반응하기 때문이다. 이러한 반응의 결과로 애노드 측 촉매의 손실이 발생하게 되고 유효전극면적의 감소를 초래하여 연료 전지 성능을 저하시킨다.
이와 같이 반응가스 입구 배관 및 매니폴드에 응축된 물에 의한 가스유로의 막힘 및 플러딩 현상을 해소하기 위하여, 공급가스의 분리판 유로부분에서의 유속을 빠르게 하여 응축된 물을 배출시키는 방법이 사용되었다.
그러나, 공급가스 유속을 증가시키기 위해서는 높은 압력으로 가스를 공급하는 것이 필요하며, 이를 위해서 가스공급 블로어 또는 압축기 등의 보조기기동력을 극단적으로 증가시켜야 하기 때문에, 시스템 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
또한, 매니폴드에 고여있는 물은 연료 전지 스택으로 적층되어 있는 각각의 단위전지 가스유로로 균등하게 분배되어 유입되는 것이 아니라 이상(two-phase) 유동의 특성상 임의의 단위전지에 편중되어 들어가는 경향이 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 상황에서는 반응가스의 유속을 증가시켜도 유로 채널을 막고 있는 물의 배출효과는 그다지 크지 않다.
또한, 연료 전지 스택을 탑재한 시스템에서는 스택을 정격출력조건으로 운전하는 것뿐만 아니라 전력 수요에 따라 출력을 억제한 저부하운전이 필요하다. 이러한 저부하운전 시, 효율을 유지하기 위해서 연료가스나 산화제가스의 이용률을 정격운전과 같은 조건으로 할 필요가 있다.
예를 들면 부하를 1/2로 억제한 경우 연료가스나 산화제가스의 유량도 1/2정도로 저감하지 않으면, 여분의 연료가스나 산화제가스를 사용하기 때문에 발전효율이 저하된다.
그러나, 가스의 이용율을 일정하게 하여 저부하운전을 하면, 가스유로내의 가스유속이 저하하여 응축수나 반응생성수를 분리판 외부로 배출할 수 없고, 상술한 바와 같은 플러딩 현상이 발생하여, 스택성능이 저하하거나, 불안정하게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 입구 배관 및 입구 매니폴드에 누적된 응축수가 연료 가스 및 산화제의 유로 채널로 유입되는 것을 방지하고, 응축수를 용이하게 배출할 수 있는 연료 전지를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 연료 전지는 고분자 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극 접합체와, 상기 막전극 접합체의 일측에 인접하여 배치되며 산화제 유로가 형성된 캐소드 분리판과, 상기 막전극 접합체의 타측에 인접하여 배치되며 연료 유로가 형성된 애노드 분리판,을 각각 포함하는 복수의 단위전지, 및 상기 단위전지들 중 적어도 어느 하나와 인접하여 설치되며, 상기 산화제 유로 또는 상기 연료 유로와 연통되는 입구 매니폴드 구멍에 응축된 응축수를 배출하는 응축수 유로가 형성되는 응축수 배출판을 포함한다.
상기 응축수 배출판은 상기 단위전지들의 최외측 일단 또는 양단에 설치될 수 있으며, 상기 응축수 배출판은 상기 단위전지들 사이에 설치될 수 있다. 또한, 상기 응축수 배출판은 상기 연료 전지 내부에 소정의 간격으로 복수개가 설치될 수 있다.
상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판, 및 응축수 배출판에는 산화제가 유통되는 산화제 입구 매니폴드 구멍과 산화제 출구 매니폴드 구멍 및 연료가 유통되는 연료 입구 매니폴드 구멍과 연료 출구 매니폴드 구멍이 형성될 수 있다.
상기 산화제 입구 매니폴드 구멍은 상기 산화제 출구 매니폴드 구멍 보다 중력방향으로 상부에 위치하도록 형성되고, 상기 연료 입구 매니폴드 구멍은 상기 연료 출구 매니폴드 구멍보다 중력방향으로 상부에 위치하도록 형성될 수 있다.
상기 응축수 유로는 산화제 입구 매니폴드 구멍과 산화제 출구 매니폴드 구멍에 연결될 수 있다.
상기 산화제 입구 매니폴드 구멍에 있어서, 상기 산화제 유로는 상기 응축수 유로보다 중력방향으로 위에 연결되고, 상기 산화제 출구 매니폴드 구멍에 있이서, 상기 산화제 유로는 상기 응축수 유로보다 중력방향으로 아래에 연결될 수 있다.
상기 응축수 유로는 연료 입구 매니폴드 구멍과 연료 출구 매니폴드 구멍에 연결될 수 있다.
상기 연료 입구 매니폴드 구멍에서, 상기 연료 유로는 상기 응축수 유로보다 중력방향으로 위에 연결되고, 상기 연료 출구 매니폴드 구멍에서, 상기 연료 유로는 상기 응축수 유로보다 중력방향으로 아래에 연결될 수 있다.
상기 응축수 유로는 입구에 출구로 진행할수록 폭이 점진적으로 감소하는 구간을 포함할 수 있다.
상기 응축수 유로는 상기 산화제 유로 및 상기 연료 유로 보다 압력강하가 큰 구조로 이루어질 수 있다.
상기 응축수 유로는 수평 또는 내리막 기울기로 형성될 수 있다.
상기 응축수 유로는 응축수가 중력에 거스르지 않는 방향으로 진행하도록 형성될 수 있다.
상기 응축수 유로에는 다공성 부재가 설치될 수 있다.
상기 단위전지는 지면에 대하여 수평인 방향으로 적층될 수 있다.
상기 단위전지는 지면에 대하여 수직인 방향으로 적층될 수 있으며, 이 경우, 상기 응축수 배출판은 최하단에 위치한 상기 단위전지의 아래에 설치될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지를 도시한 부분 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지를 도시한 분해 사시도이다.
상기한 도면들을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지는 막전극 접합체(100)와 그 양측에 애노드 분리판(120)과 캐소드 분리판(110)으로 이루어진 단위전지(180)가 여러 장 반복되어 적층된 구조로 이루어진다.
이하 설명에서는 별도로 설치된 개질기(미도시)에 의하여 연료가 가스(Gas) 형태로 연료 전지 내부로 유입되는 고분자 전해질형 연료 전지를 예로서 설명한다. 다만 이는 예시적인 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 막전극 접합체(100)는 고분자전해질막(101)과 애노드전극(103), 캐소드전극(102)으로 이루어지며, 상기 막전극 접합체(100)의 외측에 연료와 산화제가 서로 섞이는 것을 방지하는 개스킷(104)이 설치된다.
상기 애노드 분리판(120)의 일 측에는 애노드전극(103)으로 연료를 공급하기 위한 연료 유로(121)가 형성된다. 그리고 캐소드 분리판(110)의 일 측에는 캐소드전극(102)으로 산화제를 공급하기 위한 산화제 유로(111)가 형성되고, 그 반대측에는 전기화학반응에 의한 반응열을 냉각시키기 위한 용도로 냉각매체 유로(112)가 형성된다.
상기 애노드 분리판(120)과 캐소드 분리판(110)의 구조는 예시적인 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 상기 냉각매체 유로(112)는 캐소드 분리판(110)에 형성될 수도 있지만 애노드 분리판(120)에 형성될 수도 있고, 캐소드 분리판(110)과 애노드 분리판(120)에 동시에 형성될 수도 있다.
최외측에 설치된 단위전지(180)에는 종단(終端) 캐소드 분리판(115)이 설치되는데, 상기 종단 캐소드 분리판(115)은 일측이 막전극 접합체(100)와 접하고 그 반대측은 집전체(131a, 도 2에 도시)와 접하기 때문에 냉각매체의 유로가 형성되지 않은 구조로 이루어진다. 다만, 본 실시예에 따른 애노드 분리판(120)은 일측에 연료 유로(121)가 형성되고 그 반대측에는 유로(121)가 없는 구조가 적용되었으므로 마지막 단위전지(180)를 구성하는 종단 애노드 분리판은 일반 애노드 분리판(120)과 동일한 구조로 이루어진다.
도 2에 도시한 바와 같이, 단위전지(180)들의 최외측에는 전류를 추출하기 위한 집전판(131a, 131b) 및 외부와의 전기적 절연을 위한 절연판(132a, 132b)이 차례로 적층되고, 그 외부에 단위전지들(180)을 일정한 압력으로 고정시키기 위한 체결판(133a, 133b)이 설치된다. 상기 체결판(133a, 133b)은 도 1에서와 같이 상기 체결판(133a, 133b)에 형성된 홀(미도시)에 삽입되는 타이 로드(171)와 상기 타이로드의 단부에 체결되는 너트(172), 및 상기 너트(172)와 체결판(133a, 133b) 사이에 설치되는 판스프링(173) 등의 체결기구를 통해 압축 고정된다.
그리고 상기 체결판(133a)에는 외부에서 공급되는 연료가스와 산화제가스 및 냉각매체가 유입되는 산화제 입구포트(134a), 연료 입구포트(135a) 및 냉각매체 입구포트(136a)와 이들이 배출되는 산화제 출구포트(134b), 연료 출구포트(135b) 및 냉각매체 출구포트(136b)가 형성된다.
한편, 애노드 분리판(120) 및 캐소드 분리판(110)에는 유입된 연료가스와 산화제가스, 및 냉각매체를 해당 유로로 공급하기 위한 산화제 입구 매니폴드 구멍(161), 연료 입구 매니폴드 구멍(163) 및 냉각매체 입구 매니폴드 구멍(165)이 형성되고, 해당 유로에서 배출되는 연료가스와 산화제가스, 및 냉각매체를 배출하기 위한 산화제 출구 매니폴드 구멍(162), 연료 출구 매니폴드 구멍(164) 및 냉각매체 출구 매니폴드 구멍(166)이 형성된다.
그리고 상기 입구 매니폴드 구멍들(161, 163, 165)과 출구 매니폴드 구멍들(162, 164, 166)은 동일한 위치에 배치되고 그 모양도 동일하게 형성되어, 상기 단위전지들(180)이 적층 배열될 때, 산화제 입구 매니폴드 구멍들(161)은 산화제 유로(111)에 산화제를 공급하는 산화제 유입통로 역할을 하며, 산화제 출구 매니폴드 구멍(162)들은 산화제 유로(111)와 연통되어 산화제가 배출되는 산화제 배출통로 역할을 한다.
이와 같은 방법으로 연료 입구 매니폴드 구멍들(163)도 단위전지들(180)이 적층 배열될 때 서로 겹쳐져 연료 유로(121)와 연통되어 연료 유입통로 역할을 하며, 연료 출구 매니폴드 구멍(164)들은 연료 유로(121)와 연통되어 연료 배출통로 역할을 하게 된다. 또한, 냉각매체 입구 매니폴드 구멍(165)들도 상호 맞닿도록 적층되어 냉각매체 유입통로 역할을 하며, 냉각매체 출구 매니폴드 구멍들(166)도 냉각매체 배출통로 역할을 하게 된다.
그리고 상기 단위전지들(180)이 적층 배열되어 스택을 형성할 때, 상기 스택의 최외측 양쪽 측단에는 산화제 입구 매니폴드 구멍(161) 및 연료 입구 매니 폴드 구멍(163)에 형성된 응축수를 배출할 수 있도록 응축수 유로(141, 151, 도 1에 도시)가 형성된 응축수 배출판(140, 150)이 설치된다.
상기 응축수 배출판(140, 150)은 양측 가장자리에 애노드 및 캐소드 분리판(110, 120)과 같이, 유입된 연료가스와 산화제가스, 및 냉각매체를 해당 유로로 공급하기 위한 산화제 입구 매니폴드 구멍(161), 연료 입구 매니폴드 구멍(163) 및 냉각매체 입구 매니폴드 구멍(165)과 해당 유로에서 배출되는 연료가스, 산화제가스 및 냉각매체를 위한 산화제 출구 매니폴드 구멍(162), 연료 출구 매니폴드 구멍(164) 및 냉각매체 출구매니폴드 구멍(166)이 형성된다.
그리고 상기 응축수 배출판(140, 150)은 응축수 유로(141)가 산화제 입구 매니폴드 구멍(161) 및 산화제 출구 매니폴드 구멍(162)에 연결되어 산화제 입구 매니폴드 구멍(161)에 형성된 응축수를 배출시키는 산화제 측 응축수 배출판(140)과 응축수 유로(151)가 연료 입구 매니폴드 구멍(163)과 연료 출구 매니폴드 구멍(164)에 연결되어 연료 입구 매니폴드 구멍(163)에 형성된 응축수를 배출시키는 연료 측 응축수 배출판(150)을 포함한다.
따라서, 상기 산화제 측 응축수 배출판(140) 및 상기 연료 측 응축수 배출판(150)이 스택의 양 끝 단에 각각 1장씩 배치되어, 산화제 입구 매니폴드 구멍(161)에 누적된 응축수를 산화제 출구 매니폴드 구멍(162)으로 유도하고, 연료 입구 매니폴드 구멍(163)에 누적된 응축수를 연료 출구 매니폴드 구멍(164)으로 유도하여 응축수가 연료 유로(121) 또는 산화제 유로(111)로 유입되는 것을 근본적으로 방지할 수 있으며, 이로 인한 연료 유로(121) 또는 산화제 유로(111)의 막힘이나 전극 의 플러딩 현상을 억제할 수 있다.
그리고 상기 산화제 입구 매니폴드 구멍(161) 및 상기 연료 입구 매니폴드 구멍(163)은 각각 애노드 분리판(120), 캐소드 분리판(110) 및 응축수 배출판(140, 150)의 양쪽 상단에 형성되고, 산화재 출구 매니폴드 구멍(162) 및 연료 출구 매니폴드 구멍(164)은 애노드 분리판(120), 캐소드 분리판(110) 및 응축수 배출판(140, 150)의 양쪽 하단에 형성된다.
따라서 상기 입구 매니폴드 구멍(161, 163)이 상기 출구 매니폴드 구멍(162, 164)보다 중력방향으로 높게 형성되고, 산화제, 연료, 및 응축수는 중력에 의하여 입구 매니폴드 구멍(161, 163)에서 출구 매니폴드 구멍(162, 164) 방향으로 용이하게 이동할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 산화제 측 응축수 배출판(140)은 산화제 입구 매니폴드 구멍(161)에 누적된 응축수를 산화제 출구 매니폴드 구멍(162)으로 유도하기 위하여 응축수 배출판(140)의 한쪽 면에는 응축수 유로(141)가 형성되고 응축수 유로(141)는 복수의 유로 채널(142)과 리브(143)로 이루어진다.
즉, 산화제 입구 매니폴드 구멍(161)과 산화제 출구 매니폴드 구멍(162)을 연결하는 홈이 응축수 배출판(140)의 표면에 형성되고, 상기 홈에 복수개의 리브(143)가 홈의 길이방향으로 형성되어, 상기 홈에는 복수개의 유로 채널(142)이 형성된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 연료 측 응축수 배출판(150) 또한, 연료 입구 매니폴드 구멍(163)에 누적된 응축수를 출구 매니폴드 구멍(164)에 유도하기 위하여 응축수 배출판 한쪽 면에는 응축수 유로(151)가 형성되며 응축수 유로(151)는 다수의 유로 채널(152)과 리브(153)를 통해 이루어진다.
상기 단위전지들(180)이 수평방향으로 적층되어 있는 경우에, 산화제 입구 매니폴드 구멍(161) 및 연료 입구 매니폴드 구멍(163)은 각각 산화제 출구 매니폴드 구멍(162) 및 연료 출구 매니폴드 구멍(164)보다 중력방향으로 상부에 형성되고, 산화제 및 연료 측 응축수 유로(141, 151)는 각각 입구 매니폴드 구멍(161, 163)과 출구 매니폴드 구멍(162, 164)을 연결함에 있어서 응축수의 배출 방향이 위에서 아래로 이루어지도록 응축수 유로가 형성된다.
즉, 응축수가 중력에 의하여 출구 매니폴드 구멍(162, 164)으로 자연스럽게 진행할 수 있도록, 응축수 유로(142, 152)는 응축수가 진행하는 방향을 따라 수평 또는 내리막 기울기로 형성된다. 따라서 응축수는 중력에 거스르는 방향으로 진행함 없이 중력을 따라 자연스럽게 출구 매니폴드 구멍(162, 164)으로 진행할 수 있게 된다.
도 5a 및 도 5b와 같이, 산화제 입구 매니폴드 구멍(161) 및 산화제 출구 매니폴드 구멍(162)을 형성함에 있어서 매니폴드 구멍(161, 162)의 세로방향 길이(L1)가 산화제 유로의 합계 폭(L2) 보다 크게 형성된다. 이와 마찬가지로 도면에는 도시하지 않았지만, 연료 입구 매니폴드 구멍(163) 및 연료 출구 매니폴드 구멍(164)을 형성함에 있어서도 동일하게 매니폴드 구멍(163, 164)의 세로방향 길이가 연료 유로의 합계 폭보다 크게 형성된다.
그리고 캐소드 분리판(110)의 산화제 유로(111)는 산화제 입구 매니폴드 구 멍(161) 세로방향의 윗부분에 연결되고 산화제 출구 매니폴드 구멍(162) 세로방향의 아랫부분에 연결된다.
또한 캐소드 측 응축수 배출판(140)의 응축수 유로(141)는 산화제 입구 매니폴드 구멍(161)의 세로방향 아랫부분에 연결되고 산화제 출구 매니폴드 구멍(162)의 세로방향 윗부분에 연결된다. 애노드 분리판(120)의 연료 유로(121), 애노드 측 응축수 배출판(150)의 응축수 유로(151)도 동일한 구조로 형성된다.
따라서 산화제 유로(111)는 산화제 입구 매니폴드(161)에서 응축수 유로(141)보다 중력방향으로 상부에 위치하게 되며, 출구 매니폴드(162)에서는 응축수 유로(141)보다 중력방향으로 하부에 위치하게 된다. 그리고 연료 유로(121)는 연료 입구 매니폴드(163)에서 응축수 유로(151)보다 중력방향으로 상부에 위치하게 되며, 연료 출구 매니폴드(164)에서는 응축수 유로(151)보다 중력방향으로 하부에 위치하게 된다.
이와 같은 구조로 산화제 혹은 연료 입구 매니폴드 구멍(161, 163)에 응축된 물은 무게가 무거워 매니폴드 구멍(161, 163) 하단부에 누적되게 되고, 연료 및 산화제는 가벼워서 위로 유통하게 되는데, 산화제 및 연료 유로(111, 121)는 매니폴드 구멍(161, 163)상부에 연결되므로 응축수가 산화제 또는 연료 유로(111, 121)로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
더욱이 응축수 유로(141, 151)가 매니폴드 구멍(161, 163)의 하단에 연결되므로 누적된 응축수를 응축수 유로(141, 151)를 통해 출구 매니폴드 구멍(162, 164)으로 유도함으로써 원천적으로 응축수가 유로로 유입되는 것을 차단할 수 있 다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지를 도시한 단면도이다.
응축수 배출판은 도 1과 같이 적층된 단위전지 스택의 양쪽 가장자리에 배치할 수도 있지만 도 6과 같이 단위전지 스택 내부에 복수개가 소정의 간격을 두고 배치될 수도 있다.
도 6에 의하면 집전판(131a) 다음에 산화제 측 응축수 배출판(140)이 처음으로 배치되고 다음에 종단 캐소드 분리판(115), 막전극 접합체(100), 애노드 분리판(120), 연료 측 응축수 배출판(150)이 배치된다. 이어서 캐소드 분리판(110), 막전극 접합체(100), 애노드 분리판(120)이 일정주기 배치되고 산화제 측 응축수 배출판(140)이 그 다음으로 배치된다. 다시 이어서 캐소드 분리판(110), 막전극 접합체(100), 애노드 분리판(120)이 일정주기 배치되고 연료 측 응축수 배출판(150)이 그 다음으로 배치된다. 이와 같은 방법으로 주기적으로 적층한 후 마지막으로 연료 측 응축수 배출판(150)이 집전판(131b)과 접하게 하여 배치한다. 상술한 주기적 배치방법을 통해 입구 매니폴드 구멍(161, 163)에 누적된 응축수를 더욱 원활하게 출구 매니폴드 구멍(162, 164)로 배출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 응축수 배출판을 도시한 정면도이다.
본 실시예에 따른 응축수 배출판(240)은 응축수가 진행하는 방향을 따라 압력강하가 크게 일어나도록 응축수 유로(241)가 형성된다. 즉, 응축수 유로(241)는 단면적이 비교적 작게 형성되고, 유로가 지그재그 형태로 응축수 배출판을 복수회 가로질러 형성되어 유로의 길이가 비교적 길게 형성된다.
응축수 배출판(240)의 유로(241)를 통해서는 응축수만 배출되는 것이 가장 바람직하나 반응가스의 일부가 응축수와 섞여서 함께 배출될 수도 있다. 응축수 배출판(240)을 통해 반응에 참여하지 않고 출구 매니폴드로 배출되는 반응가스의 양이 많은 경우, 추가로 반응가스의 유량을 늘려줘야 하기 때문에 동력손실이 증가하고 효율이 떨어지게 된다.
그러나 본 실시예와 같이 응축수 유로(241)의 단면적을 작게 하고 유로(241)의 길이를 길게 형성할 경우, 압력강하가 크게 일어나서 반응가스가 응축수 유로로 유입되지 않게 된다.
이때 압력강하량은 캐소드 분리판의 산화제 유로의 압력강하보다 크게 하는 것이 더욱 바람직하다. 이렇게 함으로써 응축수 유로(241)를 통해 배출되는 반응가스의 양을 크게 줄이면서 응축수만을 선택적으로 배출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 응축수 배출판을 도시한 정면도이다.
본 실시예에 따른 응축수 배출판(340)은 입구 매니폴드 구멍과 출구 매니폴드 구멍이 직선 형태로 형성된 응축수 유로에 의하여 연결된다. 이 경우 유로(341)의 폭은 출구방향으로 갈수록 좁아지게 형성될 수 있다. 유로(341)의 폭이 진행방향에 따라 점차 좁아지게 되면 응축수를 출구로 유도하는 능력이 중력뿐만 아니라 모세관 압력에 의해 더욱 가속되게 된다.
도 9는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 응축수 배출판을 도시한 정면도이다.
본 실시예에 따른 응축수 배출판(440)은 응축수 유로(441) 내부에 모세관 작용을 촉진할 수 있는 심지 혹은 다공성 물질(442)을 삽입된다. 이 경우 역시 응축 수를 출구로 유도하는 능력이 중력뿐만 아니라 모세관 압력에 의해 더욱 가속되게 된다. 또한 유로 내부에 삽입한 다공성물질이 반응가스의 흐름에 대해서는 저항으로 작용하여 반응가스가 응축수 유로를 통해 우회하는 것을 막는 역할을 수행하는 것도 더욱 효과적으로 달성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 연료 전지를 도시한 분해 사시도이다.
본 실시예에 따른 연료 전지는 단위전지들이 지면에 대하여 수직방향으로 적층된 구조로 이루어진다. 막전극 접합체(500)와 그 양측에 캐소드 분리판(510) 및 애노드 분리판(520)으로 구성된 단위전지가 차례로 적층되는 것은 본 발명의 제1 실시예와 동일하나, 다만 적층 방향이 지면에 대한 수평이 아닌 중력방향과 같은 지면에 대한 수직방향으로 이루어진다.
이 때 상기 응축수 배출판(540, 550)은 입구 매니폴드 구멍 내부의 응축수 배출을 원활히 하기 위하여 단위전지보다 하단부에 설치된다. 즉 체결판(533b)을 제일 하단부에 위치시키고, 그 위에 절연판(532b), 집전판(531b)을 차례로 배치한 후, 애노드 측 응축수 배출판(550) 과 캐소드 측 응축수 배출판(540)을 배치하고 그 위에서부터 단위전지가 적층된다.
다만, 상기 애노드 측 응축수 배출판(550)과 캐소드 측 응축수 배출판(540)의 적층 순서는 제한하지 않는다.
반응가스 및 냉각매체는 각각 연료 전지의 제일 상단에 위치한 체결판(533a)에 부착된 산화제 입구포트(534a), 연료 입구포트(535a) 및 냉각매체 입구포트 (536a)를 통해 스택 내부로 유입되고 제일 하단에 위치한 체결판(533b)에 부착된 산화제 출구포트(534b), 연료 출구포트(535b) 및 냉각매체 출구포트(536b)를 통해 외부로 배출된다.
상술한 구성을 통해 산화제 입구 매니폴드 혹은 연료 입구 매니폴드에 응축된 물은 중력에 의해 스택 하단부에 누적되며, 최 하단부에 설치한 응축수배출판(540,550)을 통해 산화제 출구 매니폴드 혹은 연료 출구 매니폴드로 유도되어 외부로 배출되게 된다.
상기에서는 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.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 연료 전지 내부에 응축수 배출판이 형성되어 입구 배관 및 입구 매니폴드 내부에 발생한 응축수를 출구 매미폴드로 유도함으로써 응축수가 산화제 또는 연료 유로로 유입되어 유로채널이 막히는 현상 및 전극의 플러딩 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
또한, 입구 매니폴드에서 응축수 유로는 연료 및 산화제 유로보다 아래에 연결되어 응측수가 연료 및 산화제 유로로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 응축수 배출판에 형성된 응축수 유로는 응축수가 중력을 거스르지 않는 방향으로 배출되도록 형성되어 입구 매니폴드에 형성된 응축수를 출구 매니폴드 로 용이하게 배출할 수 있다.
또한, 상기 응축수 유로는 하류쪽으로 진행할수록 압력강하가 크게 일어나는 구조로 형성되어 응축수 유로를 통해서 산화제 또는 연료가 유통되는 것을 용이하게 방지할 수 있다.

Claims (18)

  1. 고분자 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극 접합체와; 상기 막전극 접합체의 일측에 인접하여 배치되며 산화제 유로가 형성된 캐소드 분리판과; 상기 막전극 접합체의 타측에 인접하여 배치되며 연료 유로가 형성된 애노드 분리판;을 각각 포함하는 복수의 단위전지; 및
    상기 단위전지들 중 적어도 어느 하나와 인접하여 설치되며, 상기 산화제 유로 또는 상기 연료 유로와 연통되는 입구 매니폴드 구멍에 응축된 응축수를 배출하는 응축수 유로가 형성되는 응축수 배출판;
    을 포함하는 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축수 배출판은 상기 단위전지들의 최외측 일단 또는 양단에 인접하도록 설치되는 연료 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축수 배출판은 이웃한 적어도 한쌍의 상기 단위전지들 사이에 설치되는 연료 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 단위전지는 적층되어 스택구조를 이루고, 상기 응축수 배출판은 상기 스택구조 내에 간격을 두고 이격되어 복수개가 개재되는 연료 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드 분리판과 애노드 분리판, 및 응축수 배출판에는 산화제가 유통되는 산화제 입구 매니폴드 구멍과 산화제 출구 매니폴드 구멍, 및 연료가 유통되는 연료 입구 매니폴드 구멍과 연료 출구 매니폴드 구멍이 형성되는 연료 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 산화제 입구 매니폴드 구멍은 상기 산화제 출구 매니폴드 구멍 보다 중력방향으로 상부에 위치하도록 형성되고, 상기 연료 입구 매니폴드 구멍은 상기 연료 출구 매니폴드 구멍보다 중력방향으로 상부에 위치하도록 형성되는 연료 전지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 응축수 배출판의 상기 응축수 유로는 상기 산화제 입구 매니폴드 구멍과 상기 산화제 출구 매니폴드 구멍에 연결되는 연료 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 산화제 입구 매니폴드 구멍에서, 상기 산화제 유로는 상기 응축수 유로보다 중력방향으로 위에 연결되고, 상기 산화제 출구 매니폴드 구멍에서, 상기 산 화제 유로는 상기 응축수 유로보다 중력방향으로 아래에 연결되는 연료 전지.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 응축수 배출판의 상기 응축수 유로는 상기 연료 입구 매니폴드 구멍과 상기 연료 출구 매니폴드 구멍에 연결되는 연료 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 입구 매니폴드 구멍에서, 상기 연료 유로는 상기 응축수 유로보다 중력방향으로 위에 연결되고, 상기 연료 출구 매니폴드 구멍에서, 상기 연료 유로는 상기 응축수 유로보다 중력방향으로 아래에 연결되는 연료 전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축수 배출판의 상기 응축수 유로는 응축수의 진행방향을 따라 폭이 점진적으로 감소하는 구간을 포함하는 연료 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축수 유로는 상기 산화제 유로 및 상기 연료 유로 보다 압력강하가 큰 구조로 이루어지는 연료 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축수 배출판의 상기 응축수 유로는 수평 또는 내리막 기울기로 형성되는 연료 전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축수 배출판의 상기 응축수 유로는 응축수가 중력에 거스르지 않는 방향으로 진행하도록 형성되는 연료 전지.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축수 배출판의 상기 응축수 유로에는 다공성 부재가 설치되는 연료 전지.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위전지는 지면에 대하여 수평인 방향으로 적층되는 연료 전지.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위전지는 지면에 대하여 수직인 방향으로 적층되는 연료 전지.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 응축수 배출판은 최하단에 위치한 상기 단위전지의 아래에 설치되는 연료 전지.
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