KR101271889B1 - 정밀한 성능 평가를 위한 연료전지용 단위셀 및 이를 이용한 단위셀의 성능평가방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 성능 평가를 위한 연료전지용 단위셀 및 이를 이용한 단위셀의 성능평가방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위전지에 구비되는 분리판의 전기적 영향을 배제하여 전기기능층만의 정밀한 성능 평가를 할 수 있는 연료전지용 단위셀 및 이를 이용한 단위셀의 성능평가방법에 관한 것이다.
본 발명은 양극 집전체, 공기극, 전해질, 연료극 및 음극 집전체가 순차적으로 적층된 전지기능층; 및 상기 전지기능층의 외측에 접촉하여 구비되는 유로가 형성된 분리판을 포함하며, 상기 분리판의 유로가 형성된 면에는 절연체가 형성되고, 상기 양극 집전체 및 음극 집전체 각각에는 프로브가 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 성능 평가를 위한 연료전지용 단위셀 및 이를 이용한 단위셀의 성능평가방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 전지기능층이 분리판과 절연됨으로써 상기 전지기능층에 직접적으로 인가되는 부하와 이에 해당되는 전압을 측정할 수 있어, 전지기능층만의 성능을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 연료전지용 단위셀을 제공할 수 있다.

Description

정밀한 성능 평가를 위한 연료전지용 단위셀 및 이를 이용한 단위셀의 성능평가방법{FUEL CELL UNIT CELL FOR ACCURATE PERFORMANCE TESTING}

본 발명은 성능 평가를 위한 연료전지용 단위셀 및 이를 이용한 단위셀의 성능평가방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위전지에 구비되는 분리판의 전기적 영향을 배제하여 전기기능층만의 정밀한 성능 평가를 할 수 있는 연료전지용 단위셀 및 이를 이용한 단위셀의 성능평가방법에 관한 것이다.

연료전지란 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치를 의미하며, 이러한 연료전지를 구성하는 전지기능층은 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극) 및 연료극(음극)을 포함하며, 상기 공기극 및 연료극의 외측에는 각각 양극 집전체 및 음극 집전체가 구비된다. 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이 때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.

그러나, 상기 공기극, 전해질 및 연료극을 기본으로 하는 전지기능층 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작기 때문에, 연료전지는 여러 개의 전지기능층을 적층(스택)하여 구성되는 것이 일반적이다. 이와 같이, 연료전지는 전지기능층을 적층하여 구성되어야 하므로, 적층을 위해서 하나의 전지기능층의 공기극과 다른 전지기능층의 연료극은 전기적으로 연결되어야 할 필요가 있으며, 이를 위해 분리판(seperator)이 사용되며, 통상적으로 상기 전지기능층과 분리판이 결합되어 하나의 단위셀을 이루게 된다. 이러한 단위셀의 스택을 통해, 상당량의 전력을 출력시킬 수 있게 되고, 나아가 다양한 발전 시스템 분야에 적용할 수 있게 된다.

한편, 상기 연료전지의 성능 개선을 위해, 전지의 정밀한 성능 평가가 요구되는데, 특히, 평판형 대면적 연료전지용 단위셀의 성능 평가시, 상기 분리판은 연료분배, 전기적 접촉 등 중요한 역할을 한다. 그러나, 상기 분리판과 전지기능층은 전기적으로 연결된 상태이므로, 전기화학 테스트와 같은 성능 평가시 그 결과는 전지기능층 자체, 그리고 전지기능층과 분리판과의 접촉 저항 등이 모두 포함된 단위셀 전체의 성능을 의미하게 된다. 이는 때때로 평가 결과의 해석에 어려움을 주게 되는데, 예를 들면, 전지기능층 자체와 전지기능층과 분리판과의 접촉 저항이 각각 옴(ohm) 저항의 몇 퍼센트만큼씩 기인했는지 해석이 불가능하다는 단점이 있다.

본 발명의 일측면은 분리판과 전지기능층이 전기적으로 연결되는 것을 방지하여 성능 평가시 전지기능층만의 특성만을 정확히 평가할 수 있는 연료전지용 단위셀을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 음극 집전체, 연료극, 전해질, 공기극 및 양극 집전체가 순차적으로 적층된 전지기능층; 및 상기 전지기능층의 외측에 접촉하여 구비되는 유로가 형성된 분리판을 포함하며, 상기 분리판의 전지 내측을 향하는 면에 절연체가 형성되고, 상기 음극 집전체 및 양극 집전체 각각에는 프로브가 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 성능 평가를 위한 연료전지용 단위셀을 제공한다.

이 때, 상기 절연체는 YSZ계 또는 Al산화물(Aluminum oxide)계인 것이 바람직하고, 상기 프로브는 Pt계인 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 단위셀을 구동시키는 단계; 및 상기 단위셀에 구비된 프로브를 이용하여 전압을 측정하는 단계를 포함하는 단위셀의 성능평가방법을 제공한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 전지기능층이 분리판과 절연됨으로써 상기 전지기능층에 직접적으로 인가되는 부하와 이에 해당되는 전압을 측정할 수 있어, 전지기능층만의 성능을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 연료전지용 단위셀을 제공할 수 있다.

또한, 상기와 같이 측정되는 전지기능층의 성능을 절연되지 않은 분리판을 포함하는 단위셀로부터 측정된 성능과 비교 분석하여 단위셀의 전기적 구조 개선의 필요성을 판단할 수 있다.

도 1은 본 발명의 연료전지용 단위셀의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 2는 프로브가 접지된 집전체의 일례를 나타내는 모식도이며, (a)는 양극 집전체, (b)는 음극 집전체를 나타낸다.

이하, 본 발명을 설명한다.

도 1은 본 발명의 연료전지용 단위셀의 일례를 나타낸 사시도이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 단위셀은 연료극(음극)(103), 전해질(105) 및 공기극(양극)(107)가 순차적으로 적층된 전지기능층을 포함한다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 공기극(107)에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질(105)을 통해 연료극(103)으로 이동하게 되고, 이 산소이온은 연료극(103)에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 된다. 이 때, 연료극(103)에서는 전자가 생성되고 공기극(107)에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되어, 전지의 역할을 수행하게 된다.

또한, 상기 전지기능층은 상기 연료극(103)과 공기극(107)의 외측에 각각 음극 집전체(101) 및 양극 집전체(109)를 구비하게 된다. 상기 음극 집전체(101) 및 양극 집전체(109)는 상기 연료극(103) 또는 공기극(107)이 분리판(111)과 직접 접촉하여 연결되는 경우, 물리적인 접합만 이루면서 접촉저항이 크다는 문제점을 해결하기 위하여, 이 사이에 배치되는 것이며, 이를 통해, 연료극(103) 또는 공기극(107)이 분리판(111)과 전기적으로 균일하게 접촉할 수 있게 한다.

전지기능층의 외측에 접촉하여 위치하는 상기 분리판(111)은 상기 전지기능층이 다른 전지기능층과 전기적으로 연결되어 스택을 형성하기 위해 구비되는 것이며, 상기 연료극(103) 및 공기극(107)에 각각 산소와 수소를 공급하기 위하여, 요철 형태의 유로가 형성되는 것이 바람직하며, 전기적 연결을 위하여, 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 분리판(111)의 전지 내측을 향하는 면에는 도 1과 같이 절연체(113)가 형성되는 것이 바람직한데, 이는 상기 분리판(111)의 전기적 영향을 배제시켜 상기 전지기능층만의 성능을 측정하기 위한 매우 중요한 수단이 된다. 기존의 단위셀 성능 평가시에는 상기 분리판(111)이 전기적으로 연결된 채로 평가가 이루어졌기 때문에, 이 결과에 원인이 되는 요소가 분리판과 전지기능층 두 가지가 되었고, 결국 전지기능층이 상기 결과에 미치는 영향에 대하여 정확히 파악하기 어려웠다. 그러나, 본 발명에서와 같이, 분리판(111)과 전지기능층을 절연시킴으로써, 상기 분리판의 영향을 배제하고, 단지 가스를 전달하는 역할만 수행하도록 하여, 상기 전지기능층의 성능을 정밀하게 측정할 수 있게 되는 것이다.

상기 절연체는 YSZ계 또는 Al산화물계인 것이 바람직한데, 상기 YSZ계 또는 알루미늄 산화물계는 코팅이 용이하고, 고온에서 안정하다는 장점이 있다.

한편, 상기 절연체(113)는 용사 코팅 또는 ADM(Aerosol Deposition Method) 등의 방법을 이용하여 상기 분리판에 코팅될 수 있다.

상기에서 언급한 전지기능층의 성능을 측정하기 위해서는, 상기 전지기능층의 최외각에 위치한 양극 집전체 및 음극 집전체 각각에 프로브(115)가 접지되는 것이 바람직하다. 기존에는 금속 분리판에 버스 바(Bus Bar)와 프로브가 접지되어, 이 버스 바와 프로브가 성능 평가를 위한 전류인가와 전압측정을 하였는데, 본 발명에서는 분리판이 전기적으로 연결되지 않기 때문에, 집전체에 상기 프로브가 접지될 필요가 있으며, 다수개가 구비되는 것이 바람직하다. 이렇게 접지된 프로브들은 단위셀이 구동하여 전류가 흐르게 되면, 하나 이상의 프로브가 전압측정용으로 이용되고, 나머지 프로브들은 전류인가용으로 쓰일 수 있으며, 이와 같이, 여러 개의 프로브를 통해 전지기능층에 직접적으로 전류가 흐르게 되면, 이에 해당되는 전압을 전압측정용 프로브를 통해 측정하고, 이 전압치를 이용하여 전지기능층의 성능을 평가할 수 있다. 물론, 단위셀이 집전체없이 연료전지에 사용되는 경우, 본 발명의 프로브(115)는 양극 집전체 및 음극 집전체 대신에 공기극과 연료극에 대신 접지될 수 있으며, 본 발명의 권리범위는 여기까지 포함할 수 있다.

한편, 전압을 측정하기 위해서는 상기 프로브(115)들이 전압인가 로더(Loader)와 전압측정 볼트미터(Voltmeter)에 연결되어야 하기 때문에, 단위셀의 외부로 빠져 나와야 한다. 따라서, 상기 프로브(115)를 외부로 연결시킬 때에는 상기 프로브가 분리판과 접촉되는 것을 피해야 하며, 이를 위해서는 밀봉재(117)를 두 층으로 만들어 그 사이를 통과하도록 한 뒤, 밀봉재를 결합시키는 방법을 이용할 수 있다. 여기서, 밀봉재는 연료극과 공기극에 활용되는 수소와 산소가 반응하지 못하도록 하는 역할 등을 수행하게 된다.

도 2는 프로브가 접지된 집전체의 일례를 나타내는 모식도이며, (a)는 음극 집전체, (b)는 양극 집전체를 나타낸다. 도 2에 나타난 바와 같이, 프로브(115)는 집전체(101, 109)에 다수 개로 부착될 수 있으며, 이 때, 개수는 단위셀에 인가되는 전류의 양을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 프로브(115)는 상기 집전체(105, 109)에 용접되어 접지될 수 있다.

상기 프로브는 Pt계인 것이 바람직한데, 상기 Pt는 높은 작동온도에서도 안정하며, 내식성 및 내구성이 우수하여 장기간 사용이 가능하다는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 성능평가방법에 대하여 설명한다.

단위셀에서 전지기능층만의 성능 및 분리판과 전지기능층간의 접촉저항 정도를 측정하기 위해서는, 우선적으로 절연되지 않은 분리판이 포함된 단위셀로부터 성능(전류 vs. 전압)을 측정하고, 이에 더하여 상기와 같이 제공되는 단위셀 즉, 절연된 분리판이 포함된 단위셀로부터 전지기능층만의 성능(전류 vs. 전압)을 측정한 뒤, 이 두 값을 비교하여 분리판과 전지기능층간의 접촉저항의 정도를 알아내어 현재 사용하고 있는 단위셀의 전기적 구조 개선의 필요성을 판단할 수 있다.

예를 들면, 절연되지 않은 분리판을 사용한 단위셀의 성능이 특정 전류에서 0.8V이지만 절연된 분리판을 사용한 단위셀, 즉 전지기능층만의 성능을 나타내는 단위셀인 경우 동일한 전류에서 0.9V를 나타내었다면, 0.1V는 전지기능층간의 접촉저항으로 판단할 수 있으며, 이만큼의 전압편차를 줄이기 위해, 분리판의 전기적 구조를 개선하여 성능을 향상시켜야 한다는 근거를 마련할 수 있다.

100 : 단위셀 101 : 음극 집전체
103 : 연료극 105 : 전해질
107 : 공기극 109 : 양극 집전체
111 : 분리판 113 : 절연체
115 : 프로브 117 : 밀봉재
119 : 셀 프레임 121 : 매니폴드

Claims (4)

1. 음극 집전체, 연료극, 전해질, 공기극 및 양극 집전체가 순차적으로 적층된 전지기능층; 및
   상기 전지기능층의 외측에 접촉하여 구비되는 유로가 형성된 분리판을 포함하며,
   상기 분리판의 전지 내측을 향하는 면에 절연체가 형성되고,
   상기 음극 집전체 및 양극 집전체 각각에는 프로브가 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 성능 평가를 위한 연료전지용 단위셀.
2. 제1항에 있어서,
   상기 절연체는 YSZ계 또는 Al산화물계인 것을 특징으로 하는 성능 평가를 위한 연료전지용 단위셀.
3. 제1항에 있어서,
   상기 프로브는 Pt계인 것을 특징으로 하는 성능 평가를 위한 연료전지용 단위셀.
4. 제1항 내지 제3항에 기재된 어느 하나의 단위셀을 구동시키는 단계; 및
   상기 단위셀에 구비된 프로브를 이용하여 전압을 측정하는 단계를 포함하는 단위셀의 성능평가방법.
   

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