KR100999196B1 - 열전소자를 이용한 연료전지용 냉각모듈과 분리판 및 이를 포함하는 연료전지와 그 온도제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전소자를 이용한 연료전지용 분리판과 이를 포함하는 연료전지 시스템의 온도제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 음극 분리판; 양극 분리판; 상기 음극 분리판 및 양극 분리판 사이에 구비되며, 냉각수가 흐르는 냉각수 채널이 형성된 냉각 채널부 및 상기 냉각 채널부의 서로 대향하는 양면 각각에 하나 이상 구비된 열전소자를 포함하여 구성되는 냉각모듈;을 포함하는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 시스템의 온도제어 방법을 제공한다.
본 발명의 연료전지용 분리판은 연료전지의 초기 구동 시, 상기 냉각모듈의 열전소자에 전기를 공급하여 연료전지를 가온하고, 연료전지의 정상 구동 시, 상기 냉각모듈의 열전소자의 온도구배에 의해 잉여 전력을 생산하는 것이다.

Description

열전소자를 이용한 연료전지용 냉각모듈과 분리판 및 이를 포함하는 연료전지와 그 온도제어 방법{COOLING MODULE AND SEPARATOR FOR FUEL CELL USING THERMOELECTRIC DEVICE, FUEL CELL COMPRISING THE SAME AND TEMPERATURE CONTROL METHOD FOR THE FUEL CELL}

본 발명은 열전소자를 이용한 연료전지용 냉각모듈과 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 및 그 온도제어 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는, 연료전지 스택에 있어서 서로 인접하는 음극 분리판과 양극 분리판 사이에 구비되며, 냉각수가 흐르는 냉각수 채널이 형성된 냉각 채널부 및 상기 냉각 채널부의 대응하는 양면 각각에 하나 이상 구비된 열전소자를 포함하여 구성되는 냉각모듈과 상기 냉각모듈을 구비한 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 그 온도제어 방법에 관한 것이다.

연료전지는 메탄올, 천연가스, 액화석유가스 등 탄화수소 계열의 연료 중에 포함되어 있는 수소와 공기 중에 있는 산소의 전기화학적 반응에 의해서 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 차세대 청정 발전 시스템 중의 하나로 각광받고 있다. 연료전지는 사용되는 전해질에 따라 용융탄산염 연료전지, 고체산화물 연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 인산형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등으로 구분될 수 있으며, 기본적으로 같은 원리에 의해 작동된다.

연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다.

대표적으로, 고분자전해질 연료전지의 기본구조는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조의 막전극접합체(membrane-electrode assembly, MEA)와, 기체확산층, 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판 (separator)으로 이루어져 있다.

연료전지 스택(stack)은 전기화학반응이 일어나는 단위셀single cell)을 수십 또는 수백개씩 적층함으로써 구성되는데 단위셀이나 스택은 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판(end plate)을 타이로드(tie rod)나 공기압으로 압착하게 되어 있다. 양쪽 끝판에는 반응기체의 출구 및 입구 냉각수 순환구, 전원 출력 (electric power output)을 위한 커넥션(connection)이 설치되어 있다.

그리고 유로가 형성된 분리판은 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 통로의 역할과 각 막전극접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.

이 과정에서 애노드 전극에서는 연료의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원 반응이 일어나며 이 때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.

상기 분리판은 기체확산층의 바깥쪽에 위치하고, 상기 분리판에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 반응기체 유로가 형성되어 있다.

상기 분리판의 재료로는 연료전지 형태 유지와 원활한 전자 이동을 위하여 전기 전도도를 띠는 탄소 계열 또는 금속 계열의 물질을 사용하며, 상기 분리판에 형성된 기체유로는 반응기체가 흐르는 통로로써, 이 기체유로를 통하여 2장의 분리판 사이에 위치한 막전극 접합체의 전극에 기체가 공급되어 전기화학반응이 일어나 전기가 발생된다.

또한, 실제 연료전지의 전기화학반응 과정 중, 요구 출력의 40~50% 정도의 열에너지가 부수적으로 발생되는데, 연료전지 스택은 일반적으로 다수의 양극 분리판 및 음극분리판 사이에 냉각수 공급용 채널을 구비하고 있으며, 상기 냉각수 채널을 통해 흐르는 냉각수를 이용하여 열을 방출시킬 수 있는 구조로 되어 있다.

한편, 연료전지 스택이 빙점 이하의 환경에서 작동되는 경우, 연료전지 내부에서 전기화학반응에 의해 생성되는 물이 막전극 접합체 및 기체확산층 등에서 동결되어 반응가스의 물질 전달을 저해하여, 연료전지 스택의 출력 밀도가 감소하게 된다.

영하의 외부 기후 조건에서 연료전지 스택이 초기 구동될 때, 연료전지 스택의 저출력 밀도로 인해 정격 출력을 낼 때까지 기동 시간이 지연되는 문제점이 발생되고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 연료전지 스택에 외부 발열체를 부가 설치하거나, 연료전지 스택이 적정 온도 범위에 도달할 때까지 고온의 냉각수를 순환하는 방법 등이 있다.

그러나, 부가적인 외부 발열체의 도입은 연료전지 시스템의 복잡성이 증가하고, 크기가 커져서 전체 시스템의 효율이 저하될 뿐만 아니라, 연료전지 스택이 적정 온도 범위에 도달할 때까지의 시간 또한 증가하게 된다.

또한 일단 연료전지가 본격적으로 운전되는 도중에는 냉각의 필요성이 있으므로 발열코일로 가열한 냉각수를 다시 냉각시켜야하는 문제가 있다.

한편, 운전 온도 범위가 100℃ 내지 200℃인 고온용 연료전지에서는 물을 냉각매체로 사용해서는 시동시 운전 온도 범위까지 올릴 수 없는 경우가 있기 때문에 대부분 오일 성분을 냉각매체로 사용하고 있다. 그러나, 오일의 특성상 부식의 우려가 있으며, 일단 연료전지가 시동된 후에는 오일을 냉각해야하는데 이것이 용이하지 않으며, 유독한 성분이 있는 경우도 있다. 또한 오일의 특성상 사용이 까다로운 경우도 있으며 환경 비친화적이다.

본 발명은 고온용 연료전지에서 오일을 대체하여 물을 냉각매체로 사용할 경우, 시동 중에 연료전지 스택을 운전 온도 범위까지 올릴 수 없는 문제를 해결하여 물을 냉각매체로 사용하면서도 연료전지 셀을 목표로 하는 시동온도까지 도달하게 할 수 있는 냉각 모듈 및 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적 중 하나는 연료전지의 운전 상태에서 연료전지의 고열을 열전소자의 전기 에너지로 교환하는 과정에서 많은 열을 소모하게 되어 물을 냉각유체로 사용하기에 충분한 온도 조건이 조성될 수 있으므로 오일 냉각을 하지 않아도 되는 연료전지 및 냉각 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 열전소자의 특성을 이용하여 운전 중인 고온의 연료전지로부터 발생하는 폐열에서 전기 에너지를 추가적으로 회수할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 외부로부터의 부가적인 장비 증설 또는 외부 에너지의 투입 없이 냉각수 결빙 방지에 필요한 열량을 연료전지 스택 내부에서 자체 확보하여 연료전지의 냉시동성을 개선하고자 하는 것이다.

또한, 연료전지의 초기 구동 시, 연료전지용 분리판의 냉각모듈에 전기를 공급하여, 연료전지 스택을 구성하는 단위셀이 정상 구동하는 온도로 가온하여, 연료전지 시스템의 정상 구동에 도달하기 위한 시간의 단축 및 연료전지 시스템의 효율성을 높이기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일실시예의 냉각모듈은 연료전지 스택의 서로 인접하는 음극 분리판과 양극 분리판 사이에 설치되기 위한 냉각모듈로서, 냉각수 채널(50)이 형성된 냉각 채널부(80) 및 상기 냉각 채널부의 대향하는 양면에 각기 배치되는 열전소자(70)를 포함하며, 상기 열전소자의 일면은 상기 냉각채널부에 접하고 그 반대면은 상기 양극 분리판과 상기 음극 분리판 중 하나에 접한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 냉각모듈은 평판형이고, 상기 열전소자는 상기 냉각 채널부의 대향하는 양면에 각기 적어도 하나 이상 배치된다.

본발명의 바람직한 실시예에 의한 연료전지용 분리판은 음극 분리판; 상기 음극 분리판에 인접하는 양극 분리판; 및 상기 음극 분리판 및 상기 양극 분리판 사이에 설치되며, 냉각수가 흐르는 냉각수 채널이 형성된 냉각 채널부 및 상기 냉각채널부의 대향하는 양면에 각기 적어도 하나 이상 배치된 열전소자를 포함하는 냉각모듈;을 포함한다. 이때, 상기 열전소자의 일면은 상기 냉각채널부에 접하고 그 반대면은 상기 양극 분리판과 상기 음극 분리판 중 하나에 접하는 것이 바람직하다.

상기 냉각모듈은 또한 평판형 모듈이고, 상기 음극 분리판 및 상기 양극 분리판에는 상기 냉각모듈이 배치되는 부분과 전기 전도를 위한 부분이 구비되어 상기 냉각모듈에 의한 냉각과는 별도로 전기 전도가 가능하다.

상기 분리판은 또한, 상기 열전소자에 전기회로가 연결되어, 연료전지의 초기 구동 시, 상기 열전소자의 양면에 전위차를 걸어 주어 상기 연료전지의 단위셀을 가온하고, 상기 연료전지의 정상 구동 시, 상기 열전소자 양면의 온도구배에 의한 전력을 회수하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또다른 일 실시예의 연료전지용 분리판은 음극 분리판과 양극 분리판이 일체화 된 음양극 분리판; 및 상기 음양극 분리판의 내부에 위치하는 냉각모듈; 을 포함하며, 상기 냉각모듈은 냉각수 채널이 형성된 냉각채널부 및 상기 냉각채널부의 대향하는 양면에 각기 적어도 하나 이상 배치된 열전소자를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 온도 제어방법은 음극 분리판; 상기 음극 분리판에 인접하는 양극 분리판; 및 상기 음극 분리판 및 상기 양극 분리판 사이에 설치되며, 냉각수가 흐르는 냉각수 채널이 형성된 냉각 채널부 및 상기 냉각채널부의 대향하는 양면에 각기 적어도 하나 이상 배치된 열전소자를 포함하는 냉각모듈;을 포함하는 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지의 온도 제어 방법으로,

상기 냉각모듈의 상기 열전소자 양면에 전위차를 걸어주는 전기 공급 단계;

상기 공급된 전기에 의해 상기 열전소자의 연료전지 단위셀을 향하는 방향의 면에서는 발열, 그 반대면인 냉각채널부에 접하는 면에서는 흡열이 발생하는 발열 및 흡열 발생 단계; 및

상기 열전소자의 발열에 의한 열이 상기 단위셀에 공급되어, 상기 단위셀을 정상 운전 온도로 가온하는 단위셀 가온 단계;를 포함한다.

상기 연료전지의 온도제어 방법은 또한,

상기 단위셀의 전기화학반응에 의해 발생되는 열이 열전소자에 공급되어, 상기 열전소자의 단위셀을 향하는 일 면의 온도를 높이고, 상기 냉각채널에 흐르는 냉각수에 의해 상기 열전소자의 냉각채널부에 접하는 일 면의 온도를 낮추는 열전소자 온도구배 단계;

상기 열전소자의 온도구배에 의해 전위차가 발생되는 전기 발생 단계;를 추가로 포함한다.

본 발명의 일실시예에 의한 연료전지는 막전극접합체, 상기 막전극 접합체 양측에 배치된 기체확산층 및 제 5항 또는 제 6항의 연료전지용 분리판을 포함한다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 연료전지 냉각 장치 및 방법에 의하면 고온용 연료전지에서 열전소자를 포함하는 냉각모듈에 전기를 공급하여 고온용 연료전지가 정상 구동하는 온도 범위로 스택의 온도를 높일 수 있으므로, 고온용 연료전지에서 기존의 오일 성분의 냉각매체 대신 친환경적인 물을 냉각매체로 사용할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 또한 연료전지의 운전 상태에서 연료전지의 고열을 열전소자의 전기 에너지로 교환하는 과정에서 많은 열을 소모하게 되어 물을 냉각유체로 사용하기에 충분한 온도 조건이 조성될 수 있으므로 오일 냉각을 하지 않아도 된다. 물을 냉각매체로 사용할 수 있으므로 유독성 오일을 냉각매체로 사용하지 않아도 되어 보다 친환경적이며, 비용면에서도 효율적인 연료전지를 제공하게 된다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 연료전지 시스템의 초기 구동 시, 부가적인 외부 발열체의 도입 없이, 열전소자를 포함하는 냉각모듈에 전기를 공급하여 연료전지 스택을 구성하는 단위셀을 가온함으로써, 별도의 발열 코일 등이 없는 간단한 구성으로 연료전지의 시동 온도를 달성하며 초기 구동 시간을 단축한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 연료전지 시스템의 초기 시동 이후 정상 구동 시에는, 연료전지에서 발생하는 발열을 회수하면서 부가적인 전력 발생을 열전 소자로부터 얻을 수 있으므로 전력 생산 효율이 향상된다.

도 1은 본 발명의 연료전지용 분리판의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 연료전지용 냉각모듈을 나타내는 단면사시도.
도 3은 본 발명의 연료전지용 분리판이 스택의 일구성으로 체결된 일 실시예를 나타내는 단면사시도.
도 4는 본 발명의 연료전지용 분리판이 스택의 일구성으로 체결된 또 다른 실시예를 나타내는 단면사시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 냉각채널에 있어서, 연료전지 시동 시의 열의 이동 방향을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 냉각채널에 있어서, 연료전지 정상운전 중 열의 이동 방향을 개략적으로 나타낸 단면도.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 열전소자를 이용한 연료전지용 냉각 모듈과 상기 냉각 모듈을 포함하는 분리판과 이를 포함하는 연료전지 시스템 및 그 온도제어 방법에 대해 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 충분히 이해하도록 하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명의 연료전지용 분리판의 일 실시예를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 냉각모듈을 나타내는 단면사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 분리판이 연료전지 스택의 일구성으로 체결된 일 실시예를 나타내는 단면사시도이고, 도 4는 본 발명의 연료전지용 분리판이 스택의 일구성으로 체결된 또 다른 실시예를 나타내는 단면사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 냉각모듈은 연료전지 스택의 음극 분리판(101a)과 양극 분리판(101b) 사이에 설치되기 위한 것으로서, 냉각수가 흐르기 위한 냉각수 채널(50)이 형성된 냉각 채널부(80)및 상기 냉각 채널부의 서로 대향하는 양면에 각기 하나 이상 구비된 열전소자(70)를 포함한다.

도 1과 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 분리판은 음극 분리판(101a) 및 양극 분리판(101b) 사이에 상기 냉각모듈(90)이 구비되고, 상기 냉각모듈(90)은 상기 음극 분리판(101a) 및 양극 분리판(101b) 각각의 내부를 가로지르는 구조로 되어 있다.

상기 음극 분리판(101a)은 단위셀의 구성요소인 막전극 접합체 내의 고분자 전해질 막 면에 수소가 반응할 수 있도록 도포된 전극촉매층, 즉 애노드 및 애노드측 기체확산층이 접하는 분리판을 의미한다. 상기 음극 분리판(101a) 및 상기 양극 분리판(101b)에는 냉각모듈이 배치되는 부분과 전기 전도를 위한 부분이 구분되어 열전소자 냉각모듈의 냉각과는 별도로 전기 전도가 가능할 수 있도록 구성되어 있다.

상기 양극 분리판(101b)은 상기 고분자 전해질 막 면에 산소가 반응할 수 있도록 도포된 전극촉매층, 즉 캐소드 및 캐소드측 기체확산층이 접하는 분리판을 의미한다.

상기 음극 분리판(101a) 및 양극 분리판(101b)의 구분은 단위셀의 애노드측 또는 캐소드측 기체확산층이 분리판과 접하는 위치상의 차이 및 상기 위치상의 차이로 인해 기체유로를 통과하는 반응기체의 차이가 있을 뿐, 상기 음극 분리판(101a) 및 양극 분리판(101b)의 재질이나 모양에 있어서는 동일하다.

이때, 상기 분리판의 재료로는 통상적으로 연료전지 형태 유지와 원활한 전자 이동을 위하여 전기 전도도를 띠는 흑연, 금속과 같은 물질이 사용된다.

상기 냉각모듈(90)이 상기 음극 분리판(101a) 및 양극 분리판(101b)의 내부 중심에 있는 것이 냉각수에 의한 냉각효율 관점에 있어 더 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 음극 분리판(101a)과 양극 분리판(101b)이 일체화 된 형태의 분리판이 사용될 수 있다. 본 발명의 또다른 일 실시예에 의한 연료전지용 분리판은 상기 냉각모듈(90)이 음극 분리판(101a)과 양극 분리판(101b)이 일체화 된 음양극 분리판의 내부에 배치될 수 있다. 이 때 상기 음양극 분리판에는 냉각모듈이 배치되는 부분과 전기 전도를 위한 부분이 구분되어 열전소자 냉각모듈의 냉각과는 별도로 전기 전도가 가능할 수 있도록 구성되어 있다.

상기 냉각모듈(90)을 구성하는 냉각 채널부(80)는 냉각수가 흐르도록 하나 이상의 냉각수 채널(50)이 내부에 형성되어 있어, 상기 냉각수에 의해 연료전지의 전기화학반응에 의한 발열이 제어되어, 과열이 방지되고, 스택의 온도가 일정하게 유지된다.

이때, 상기 냉각 채널부(80)의 냉각수 채널(50)은 냉각수가 흐르는 통로인 냉각수 유로이고, 상기 냉각수 채널(50)의 형상은 냉각수가 흐를 수 있는 통상적으로 사용되는 유로이면 그 종류에 제한되지 않는다.

또한 상기 냉각모듈(90)은 상기 냉각 채널부(80)의 대응하는 양면 각각에 하나 이상 구비된 열전소자(70)를 포함하여 구성되고, 상기 냉각 채널부(80)와 열전소자(70)는 접착되어 일체화 되어 있다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 냉각모듈(90)의 구성은 상기 냉각채널부(80)의 상기 분리판(101a, 101b)에 평행한 외면에 상기 열전소자(70)가 각기 배치된다.

본 발명의 일실시예에 의한 냉각모듈(90)의 작동원리는 본 발명의 일 실시예에 의한 냉각모듈의 종단면의 일부를 나타낸 도5 및 도6에 개략적으로 나타나 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지가 시동 중일 때의 열의 이동방향을 나타낸 것으로 도 5에서 Q는 열에너지를 의미한다. 연료전지의 운전을 위해 일정한 온도 이상이 필요한 경우, 초기 시동시에 각각의 열전소자(70)에 전위차를 걸어준다. 이때 냉각채널(50)에 면하는 방향으로는 흡열이 되고, 양극 및 음극 분리판(101b, 101a)에 면하는 방향에 대해서는 발열이 되도록 냉각채널부(80) 양측의 열전소자(70) 각각에 전위차를 가한다. 즉, 냉각채널부를 사이에 둔 양 열전소자의 온도 구배는 냉각채널부에 면하는 측은 저온, 분리판에 면하는 측은 고온이 되도록 냉각채널부에 대해 대칭적인(symmetric) 것이다. 상기 열전소자(70)의 발열부와 흡열부의 온도차는 열전 소자의 특성에 따라 달라지며, 연료전지의 시동온도 등 특성에 맞는 적절한 열전소자를 사용하면 된다.

연료전지 초기 시동 시에 열전소자에 전위차를 걸어 줌으로써 냉각채널에 흐르는 냉각수 보다 일정 온도 높게 연료전지 셀 내부를 가온 할 수 있고 이에 따라 운전 온도가 100℃ 내지 200℃ 사이에 있는 고온용 연료전지의 경우에도 물을 냉각매체로 하면서도 연료전지 셀 내부 온도를 100℃ 이상으로 할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 냉각모듈은 고온용 연료전지가 정상 구동하는 온도 범위로 스택의 온도를 높일 수 있으므로, 고온용 연료전지에 기존의 오일 성분의 냉각매체 대신 친환경적인 물을 냉각매체로 사용할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 냉각모듈은 고온용 연료전지에만 그 이용이 제한되는 것은 아니며, 일반적인 다른 종류의 연료전지에서도 연료전지 초기 시동시 연료전지 셀의 가온을 위해 유용하게 이용될 수 있다. 이 때 발열 코일 등 별도의 냉각매체 가열 수단이 필요하지 않으며, 상기 열전소자에 일정한 전위차를 걸어줌으로써 연료전지 셀을 가온하면서, 동시에 냉각수는 가열하지 않아도 되므로 간단하면서도 효율적인 냉각수 관리가 가능하다.

또한, 상기 열전소자(70)는 연료전지 시스템의 정상 운전 시, 연료전지 단위셀의 전기화학반응에 의한 발열 및 냉각수에 의한 냉각에 의한 상기 열전소자(70)의 온도차이에 의해 잉여 전력을 생산한다.

도 6은는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지가 정상 운전 중일 때의 열의 이동방향을 나타낸 것으로 도 6에서 Q는 열에너지를 의미한다.

상기 잉여 전력은 연료전지에서 생성하는 전력 이외의 전력을 의미하고, 상기 열전소자(70)에 의한 잉여 전력의 생산은 서로 다른 금속의 양쪽 끝이 서로 접한 상태에서, 금속간 접한 부위에 온도차 발생 시, 전류가 흐르는 현상으로, 온도차에 의해 전압, 즉 열기전력이 발생하여 폐회로 내에서 전류가 흐르기 때문에 일어나는 현상인 제벡효과로 설명될 수 있다.

즉, 상기 열전소자(70)의 분리판을 향하는 면은 운전 중인 연료전지의 전기화학반응의 결과로 발생되는 열을 흡수하여 고온이 되며, 냉각수가 흐르는 냉각수 채널(50)에 면하는 부분은 저온이 된다. 이 때에도 냉각채널부를 사이에 둔 양 열전소자의 온도 구배는 냉각채널부에 면하는 측은 저온, 분리판에 면하는 측은 고온이 되며, 냉각채널부에 대해 서로 대칭적(symmetric)이다.

따라서 상기 열전소자(70) 각각의 양단은 온도차가 생기고 이에 따라 전위차가 발생하며 상기 열전소자(70) 양단에 전기 회로를 연결하여 전기 에너지를 추가로 회수할 수 있다.

이러한 본 발명의 일실시예에 의한 냉각모듈은 연료전지 정상운전 시에 발생하는 폐열을 전기 에너지로 회수할 수 있으므로 에너지 효율이 향상된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지용 분리판은 음극 분리판(101a) 및 양극 분리판(101b) 사이에 하나 이상의 냉각모듈(90)이 구비될 수 있고, 상기 냉각모듈(90)의 크기 및 냉각수 채널(50)의 개수를 조절하여 다양한 형태로의 응용이 가능하다.

상기 열전소자(70)는 하나 이상, 즉 복수 개가 직렬 및 병렬로 배열되어 이루어지는 열전소자패널로 구비될 수 있고, 이러한 열전소자패널은 보다 큰 전력으로 발전되도록 구비된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 분리판은 상기 열전소자(70)를 냉각 채널부(80)에 도입한 냉각모듈(90)을 포함하는 연료전지용 분리판으로, 상기 연료전지용 분리판은 연료전지의 초기 구동 시, 상기 냉각모듈(90)의 열전소자(70)에 전기를 공급하여 연료전지를 가온하고, 연료전지의 정상 구동 시, 상기 냉각모듈(90)의 열전소자(70)의 온도구배에 의해 잉여 전력을 생산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료전지용 분리판은 냉각수가 흐르는 통로로써의 냉각수 채널(50)이 구비되어 있어, 상기 냉각수 채널(50)로 흐르는 냉각수에 의해 연료전지의 전기화학반응의 결과로 발생되는 열을 제어할 뿐만 아니라, 열전소자(70)에 전기를 공급하여 연료전지를 가온하고, 열전소자(70)의 온도차에 의해 잉여 전력을 생산하는 다기능 연료전지용 분리판이다.

도 3을 참고하면, 음극 분리판(101a)과 양극 분리판(101b)의 사이에 하나의 냉각모듈(90)이 위치하고, 상기 냉각모듈(90)은 냉각수가 흐르는 유로인 냉각수 채널(50)이 형성된 냉각 채널부(80)의 대향(對向)하는 양면 각각에 열전소자(70)가 일체화 된 형태로 구성된다.

이때, 냉각수 채널(50)은 냉각수의 균일한 흐름에 의한 냉각효과를 위해 다수 개 형성되어 있다.

또한, 양극 분리판(101b) 및 음극 분리판(101a) 사이에는 막전극 접합체(100)의 양측면에 기체확산층(30)이 일체화 된 형태로 구성된 단위셀이 위치하고, 이때, 상기 막전극 접합체(100)는 전해질 고분자 막(10) 및 상기 전해질 고분자 막(10)의 양면에 도포된 전극촉매층인 애노드(20a)와 캐소드(20b)로 구성된다.

상기 단위셀의 전기화학반응에 의한 열을 제어하기 위한 냉각수는 다수 개의 냉각수 채널(50)을 통해 흐른다.

도 4를 참고하여 본 발명의 연료전지용 분리판이 적용된 다른 실시예를 살펴보면, 음극 분리판(101a) 및 양극 분리판(101b)의 내부에 다수 개의 냉각모듈(90)이 위치하고, 상기 냉각모듈(90)은 냉각수가 흐르는 유로인 냉각수 채널(50)이 형성된 냉각 채널부(80)의 대응하는 양면 각각에 열전소자(70)가 일체화 된 형태로 구성된다.

이때, 냉각수 채널(50)은 냉각수의 균일한 흐름에 의한 냉각효과를 위해 다수 개 형성되어 있고, 상기 양극 분리판(101b) 및 음극 분리판(101a) 사이에는 막전극 접합체(100)의 양측면에 기체확산층(30a, 30b)이 일체화 된 형태로 구성된 단위셀이 위치한다.

상기 단위셀의 전기화학반응에 의한 열을 제어하기 위한 냉각수는 다수 개의 냉각수 채널(50)을 통해 흐른다.

본 발명은 상기한 연료전지용 분리판 및 연료전지 단위셀을 포함하여 구성되는 연료전지 시스템의 온도제어 방법에서, 연료전지 시스템의 초기 구동 시, 상기 단위셀에 연료가스 및 공기를 공급하고, 상기 연료전지용 분리판의 냉각모듈(90)에 전기를 공급하여, 상기 단위셀이 정상 구동하는 온도인 정상 온도로 가온하는 초기 구동 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 온도제어 방법을 제공한다.

상기 연료전지 시스템은 막전극 접합체의 양측면에 기체확산층이 일체화 된 형태로 구성된 다수개의 단위셀 사이에 분리판을 설치하여, 상기 막전극 접합체로부터 발생된 전기가 상기 분리판을 통해 전달되도록 한 연료전지 스택을 의미한다.

본 발명의 일실시예에 의한 냉각모듈(90), 더 상세하게는 냉각모듈(90)을 구성하는 열전소자(70)에 전기가 공급되어 열전소자(70)의 분리판에 접하는 면에서 발열이 발생하게 되고, 상기 발열이 분리판 및 상기 단위셀에 전달되어 스택의 온도가 상승하게 되어, 상기 단위셀의 운전 온도에 이르게 된다.

상기 초기 구동 시, 상기 연료전지 시스템의 온도제어 방법은 상기 열전소자(70)를 포함하는 냉각모듈(90)에 전위차를 걸어주는 전기 공급 단계; 상기 공급된 전기에 의한 열전소자(70)의 냉각채널부에 접하는 면에서는 흡열이 발생하고, 분리판에 접하는 면에서 발열이 발생하는 흡열 및 발열 발생 단계; 상기 열전소자(70)의 발열에 의한 열이 단위셀에 공급되어, 단위셀을 정상 온도로 가온하는 단위셀 가온 단계;를 포함하여 이루어진다.

상기 전기 공급 단계는 냉각모듈(90)에 직류전원을 공급하기 위한 전원공급수단인 전기적 직류 회로가 더 구성되어 진행될 수 있고, 이때, 냉각모듈(90)을 구성하는 열전소자(70)에 전기가 공급된다.

상기 흡열 및 발열 발생 단계에서는 상기 열전소자(70)에 공급된 전기에 의한 펠티에 효과로 상기 분리판에 인접한 열전소자(70)의 일면에서의 발열 및 냉각수 채널(50)과 인접한 열전소자(70)의 다른 일면에서의 흡열 즉, 냉각이 발생되고, 더 상세하게, 단위셀과 인접한 열전소자(70)의 일면을 가온되고, 냉각수 채널(50)과 인접한 열전소자(70)의 다른 일면은 냉각된다.

상기 단위셀 가온 단계에서는 상기 흡열 및 발열 발생 단계의 상기 단위셀과 인접한 열전소자(70)의 일면에서 발생된 열이 상기 단위셀에 전달되어 단위셀의 온도가 상승된다.

한편, 본 발명의 연료전지 시스템의 온도제어 방법은 상기 연료전지 시스템의 정상 구동 시, 상기 연료전지 단위셀의 전기화학반응에 의한 발열 및 냉각수의 냉각에 의한 상기 냉각모듈(90)의 열전소자(70)의 온도구배로 인해 잉여 전력을 생산하는 정상 구동 단계를 포함한다.

본 발명의 연료전지 시스템의 정상 구동 시, 스택을 이루는 단위셀들의 전기화학반응에 의해 발생되는 열이 상기 분리판에 전달되고, 상기 단위셀과 인접한 열전소자(70)의 일면이 상기 분리판에 전달된 열에 의해 가온된다.

이때, 냉각수 채널(50)에 흐르는 냉각수로 인해 상기 냉각수 채널(50)과 인접한 열전소자(70)의 다른 일면이 냉각되고, 상기 가온된 열전소자(70)의 일면 및 냉각된 열전소자(70)의 다른 일면의 온도구배로 인해 부가적인 전력이 생산된다.

연료전지의 정상 구동 시, 상기 연료전지 시스템의 온도제어 방법은 연료전지의 전기화학반응에 의해 발생되는 열이 열전소자(70)에 공급되어, 상기 열전소자(70)의 온도를 높이는 열전소자(70) 가온 단계; 냉각수에 의해 열전소자(70)의 온도가 낮아지거나, 냉각수의 온도와 열적 평형을 이루는 열전소자(70) 냉각 단계; 상기 열전소자(70)의 온도구배에 의해 전기가 발생되는 전기 발생 단계;를 포함하여 이루어진다.

상기 열전소자(70) 가온 단계에서는 연료전지 시스템을 구성하는 단위셀들에 공급된 수소연료 및 공기에 의한 상기 단위셀에서의 전기화학반응이 일어나고, 이때, 상기 전기화학반응의 결과 발생하는 열이 단위셀과 접한 분리판에 전달된다.

또한, 냉각모듈을 구성하는 단위셀과 인접한 열전소자(70)의 일면이 상기 분리판에 전달된 열로 인해 가온된다.

상기 열전소자(70) 냉각 단계에서는 연료전지의 전기화학반응에 의한 발열을 제어하여 스택의 온도를 유지하기 위한 냉각수 채널(50)로 흐르는 냉각수에 의해 냉각수 채널(50)과 인접한 열전소자(70)의 다른 일면의 온도가 낮아지거나, 냉각수의 온도와 열적 평형을 이루며 상기 열전소자(70)의 다른 일면이 냉각된다.

상기 전기 발생 단계는 상기 열전소자(70) 가온 단계에서 가온되어 높은 온도 상태인 단위셀과 인접한 열전소자(70)의 일면 및 열전소자(70) 냉각 단계에서 냉각되어 낮은 온도 상태인 냉각수 채널(50)과 인접한 열전소자(70)의 다른 일면 간의 온도차에 의한 제벡효과로 전기가 발생되는 단계이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 연료전지용 분리판 사이에 열전소자(70)를 이용한 냉각모듈(90)을 구비하여, 연료전지 시스템의 초기 구동 시, 부가적인 외부 발열체의 도입 없이, 열전소자(70)를 포함하는 냉각모듈(90)에 전기를 공급하여 연료전지 스택을 구성하는 단위셀을 가온하여, 초기 구동 시간을 단축한다.

또한, 연료전지 시스템의 정상 구동 시, 연료전지에서 발생하는 발열 및 냉각수에 의한 냉각에 의한 냉각모듈(90)의 열전소자(70)의 온도구배로 인해 부가적인 전력을 생산할 수 있다.

한편, 고온용 연료전지에서는 대부분 오일 성분을 냉각매체로 사용하는데, 오일의 특성상 사용이 용이하지 않거나, 유독한 성분이 있는 경우도 있어 환경 비친화적이다.

또한, 고온용 연료전지에서 냉각매체로 오일 성분 대신 친환경적인 물을 사용하게 되면, 그 운전 온도 범위가 100℃ 내지 200℃이므로 시동 중에 연료전지 스택을 운전 온도 범위까지 올릴 수 없는 경우가 발생되기도 한다.

이때, 본 발명의 열전소자(70)를 이용한 연료전지용 분리막을 이용하여 냉각모듈(90)에 전기를 공급하면, 이러한 문제점을 해결하여 물을 냉각매체로 사용하면서도 고온용 연료전지에서 초기 시동시 적절한 운전온도를 얻을 수 있다.

10 : 고분자 전해질 막 20a : 애노드
20b : 캐소드 30a, 30b : 기체확산층
50 : 냉각수 채널 70 : 열전소자
80 : 냉각 채널부 90 : 냉각모듈
100 : 막전극 접합체 101a : 음극 분리판
101b : 양극 분리판 120a : 수소유로
120b : 공기유로

Claims (9)

1. 연료전지 스택의 서로 인접하는 음극 분리판과 양극 분리판 사이에 설치되기 위한 냉각모듈로서,
   냉각수 채널이 형성된 냉각 채널부;및
   상기 냉각 채널부의 대향하는 양면에 각기 배치되는 열전소자;를 포함하며,
   상기 열전소자의 일면은 상기 냉각채널부에 접하고 그 반대면은 상기 양극 분리판과 상기 음극 분리판 중 하나에 접하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각모듈.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각모듈은 평판형이고,
   상기 냉각 채널부의 대향하는 양면에 각기 배치되는 상기 열전소자는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 냉각모듈.
3. 음극 분리판;
   상기 음극 분리판에 인접하는 양극 분리판; 및
   상기 음극 분리판 및 상기 양극 분리판 사이에 설치되며, 냉각수가 흐르는 냉각수 채널이 형성된 냉각 채널부 및 상기 냉각채널부의 대향하는 양면에 각기 적어도 하나 이상 배치된 열전소자를 포함하는 냉각모듈;
   을 포함하며,
   상기 열전소자의 일면은 상기 냉각채널부에 접하고 그 반대면은 상기 양극 분리판과 상기 음극 분리판 중 하나에 접하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 냉각모듈은 평판형 모듈이고,
   상기 음극 분리판 및 상기 양극 분리판에는 상기 냉각모듈이 배치되는 부분과 전기 전도를 위한 부분이 구비되어 상기 냉각모듈에 의한 냉각과는 별도로 전기 전도가 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 열전소자에 전기회로가 연결되어, 연료전지의 초기 구동 시, 상기 열전소자의 양면에 전위차를 걸어 주어 상기 연료전지의 단위셀을 가온하고, 상기 연료전지의 정상 구동 시, 상기 열전소자 양면의 온도구배에 의한 전력을 회수하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
6. 음극 분리판과 양극 분리판이 일체화 된 음양극 분리판; 및
   상기 음양극 분리판의 내부에 위치하는 냉각모듈;을
   포함하며,
   상기 냉각모듈은 냉각수 채널이 형성된 냉각채널부 및 상기 냉각채널부의 대향하는 양면에 각기 적어도 하나 이상 배치된 열전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
7. 음극 분리판;
   상기 음극 분리판에 인접하는 양극 분리판; 및
   상기 음극 분리판 및 상기 양극 분리판 사이에 설치되며, 냉각수가 흐르는 냉각수 채널이 형성된 냉각 채널부 및 상기 냉각채널부의 대향하는 양면에 각기 적어도 하나 이상 배치된 열전소자를 포함하는 냉각모듈;을 포함하는 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지의 온도 제어 방법에 있어서,
   상기 냉각모듈의 상기 열전소자의 양면에 전위차를 걸어주는 전기 공급 단계;
   상기 공급된 전기에 의해 상기 열전소자의 연료전지 단위셀을 향하는 방향의 면에서는 발열, 그 반대면인 냉각채널부에 접하는 면에서는 흡열이 발생하는 발열 및 흡열 발생 단계; 및
   상기 열전소자의 발열에 의한 열이 상기 단위셀에 공급되어, 상기 단위셀을 정상 운전 온도로 가온하는 단위셀 가온 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 온도제어 방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 단위셀의 전기화학반응에 의해 발생되는 열이 열전소자에 공급되어, 상기 열전소자의 단위셀을 향하는 일 면의 온도를 높이고, 상기 냉각채널에 흐르는 냉각수에 의해 상기 열전소자의 냉각채널부에 접하는 일 면의 온도를 낮추는 열전소자 온도구배 단계;
   상기 열전소자의 온도구배에 의해 전위차가 발생되는 전기 발생 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 온도제어 방법.
9. 막전극접합체, 상기 막전극 접합체 양측에 배치된 기체확산층 및 제 5항 또는 제 6항의 연료전지용 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.

Images