KR101283022B1

KR101283022B1 - 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택

Info

Publication number: KR101283022B1
Application number: KR1020110055998A
Authority: KR
Inventors: 이성호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2013-07-08
Also published as: KR20120136823A

Abstract

본 발명은 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택을 제공하기 위한 것으로, 전해질막의 양측면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 각각 제공되는 막-전극 어셈블리(MEA)와, 막-전극 어셈블리의 양측에 각각 위치하고 냉각유로가 마련된 분리판으로 구성되는 연료전지 셀이 복수개 적층된 연료전지의 스택에 있어서, 복수의 연료전지 셀 중 적어도 하나는 스택 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대를 설치하도록 막-전극 어셈블리가 없는 더미셀로 이루어지도록 구성한다.

Description

내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택{FUEL CELL STACK}

본 발명은 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택에 관한 것으로, 특히 연료전지의 스택 운전 중 스택 성능에 영향을 최소화하여 온도를 측정하기 위한 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택에 관한 것이다.

연료전지(Fuel Cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 에너지 변환 장치이다. 일반적으로 연료전지는 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode) 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질 매트릭스 또는 맴브레인으로 구성된다. 이러한 연료전지는 애노드로 연료가스(통상 수소)가 주입되어 산화되고, 캐소드로 공기가 공급되어 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질 매트릭스 혹은 멤브레인을 통하여 이온이 이동되어 외부 회로를 경유하는 방식으로 작동된다. 연료전지 스택(Stack)은 단위전지가 여러 개 적층된 것을 말하며, 높은 용량의 전기를 생산하기 위해 대면적으로 제작된다.

고분자 전해질 연료전지는 일반적으로 상온에서부터 80도 사이에서 높은 성능을 나타내고, 온도가 낮아짐에 따라 반응활성화 감소 및 전해질 매트릭스의 이온 전도도 감소에 따라 성능이 저하된다.

특히, 겨울철과 같이 외부 온도가 0도 이하로 떨어져 차량에 탑재된 연료전지 스택이 물의 빙점 이하로 떨어질 경우에는 전극의 활성뿐만 아니라 전해질 매트릭스 내의 수소 이온을 전달시키는 물이 얼게 되어 전도도가 떨어짐에 따라 낮은 성능을 나타낸다.

또한, 가습 가스를 공급하는 상태에서 온도가 낮은 경우 응축수 발생에 따라 플러딩 문제가 발생하여 성능 및 내구성에 치명적인 영향을 미칠 수 있고 적정 온도에서 스택을 운전하기 위해서는 수 백장의 단위 셀이 적층된 스택의 온도 분포가 균일하게 일정 범위 내에서 거동하는 것이 매우 중요하다.

그러나, 그 중요성에 비해 스택 내 온도 분포에 대한 정보는 극히 제한적이어서 해석적인 방법이나 매니폴드 유동 온도를 통한 간접적 방법으로만 추측이 가능하다. 흑연 분리판의 경우 열전대를 장착하여 가공한 분리판을 제작하여 스택 온도를 측정하였으나 금속 분리판의 경우 분리판 두께가 매우 얇아서 연료가스, 냉각수 유동의 교란없이 열전대 장착이 불가능하다.

일부 열전대를 유동 교란을 감수하고 금속 분리판 채널에 삽입하여 온도 측정을 시도하기도 하지만 원하는 위치에 고정이 안되고 가스켓과 틈새를 형성하여 기밀 유지가 어려운 경우가 발생하기도 한다.

이러한 스택의 경우는 열관리가 대단히 중요하다. 왜냐하면 스택의 균일한 열분포는 전지의 수명과 성능에 밀접한 영향을 미치기 때문이다. 이러한 열관리를 위해 스택을 구성하는 각 단위 전지마다 열전대(Thermocouple)를 이용하여 각 부위별 온도를 측정하여 온도 분포를 확인하는 것이 필수적이다.

본 발명의 일측면은 스택 운전 중 스택 성능의 영향을 최소화하여 스택 내부의 온도를 측정할 수 있는 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택은, 전해질막의 양측면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 각각 제공되는 막-전극 어셈블리(MEA))와, 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 각각 위치하고 냉각유로가 마련된 분리판으로 구성되는 연료전지 셀이 복수개 적층된 연료전지의 스택에 있어서, 상기 복수의 연료전지 셀 중 적어도 하나는 상기 스택 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대를 설치하도록 상기 막-전극 어셈블리가 없는 더미셀(dummy cell)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 더미셀에는 상기 스택 내부의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 열전대가 마련된 것을 특징으로 한다.

상기 더미셀은 상기 단위전지 셀 중 막-전극 어셈블리를 갖지 않는 단위전지 셀로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 더미셀은 서로 대향하는 유로를 각각 구비한 한 쌍의 분리판과, 상기 한 쌍의 분리판 사이에 배치되는 가스확산층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 더미셀은 서로 대향하는 유로를 갖는 분리판과, 상기 분리판의 양면에 부착된 박막의 평판으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 더미셀은 상기 분리판의 냉각유로 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 더미셀에 열전대를 장착함에 따라 유동을 방해하지 않고 원하는 위치의 분리판 온도를 측정할 수 있어, 열전대 설치에 따른 스택 성능의 영향을 최소화 할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 스택을 보인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 의한 연료전지의 스택 적층구조의 단면을 나타낸 것이다.
도 3은 다른 실시 예의 더미셀의 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 다른 실시 예의 더미셀에서 열전대가 설치되는 위치를 나타낸 것이다.
도 5는 도 3과 도 4에 대한 해석 결과로서, 더미셀이 주변 분리판 온도에 미치는 영향을 평가한 열전달 해석을 나타낸 것이다.

이하에서는 상기와 같은 본 발명의 연료전지의 스택의 기술적 사상에 따른 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 스택을 보인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 의한 연료전지의 스택 적층구조의 단면을 나타낸 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택(10)은 연료와 산화제의 산화 환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 연료전지 셀(20)을 구비한다.

각 연료전지 셀(20)은 전기를 발생시키는 단위 전지를 의미하여, 연료와 산화제 중의 산소를 산화 환원시키는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode assembly: MEA)(21)와, 연료와 산화제를 막-전극 어셈블리(21)로 공급하기 위한 분리판(23,24)을 포함한다.

연료전지 셀(20)은 막-전극 어셈블리(21)를 중심에 두고 이의 양측에 분리판(23,24)이 각각 배치되고, 막-전극 어셈블리(21)는 중앙에 배치되어 선택적 이온투과성을 갖는 전해질막과, 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극과, 전해질막의 타측에 배치된 애노드 전극을 포함한다.

애노드 전극은 연료에 함유된 수소의 산화 반응을 일으켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온 및 별도로 제공되는 산소를 환원 반응시켜 수분과 열을 생성하는 기능을 하게 된다.

또한, 막-전극 어셈블리(21)는 애노드 전극(연료극)과 캐소드 전극(공기극)의 바깥쪽에 배치되어 가스확산 및 전기접촉을 용이하게 해주는 가스확산층(GDL, gas diffusion layer)(25)을 더 포함한다.

가스확산층(25)은 각 분리판(23,24)과 막-전극 어셈블리(21) 사이에 삽입되어 반응 가스의 확산과 전자 이동 통로의 기능을 담당한다.

분리판(23,24)은 막-전극 어셈블리(21)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가짐과 동시에 연료전지의 전기화학 반응에 필요한 수소와 공기를 각각 막-전극 어셈블리(21)에 공급하는 기능을 수행한다.

또, 분리판(23,24)은 막-전극 어셈블리(21)를 사이에 두고 이의 양측에 밀착되게 배치되며, 연료를 막-전극 어셈블리(21)의 애노드 전극으로 분산 공급하고, 산소를 막-전극 어셈블리(21)의 캐소드 전극으로 분산 공급하는 기능을 하게 된다.

분리판(23,24)은 연료전지 셀(20)이 적층되는 경우 서로 인접한 연료전지 셀(20)의 분리판과 접촉하고, 한쪽 분리판(20)의 외측면에 형성되는 유로는 공기유로(26)가 되고, 다른 분리판(24)의 외측면에 형성되는 유로는 수소유로(27)가 되며, 서로 접합된 사이의 유로, 즉 서로 마주보는 분리판(23,24) 사이에 형성되는 공간에는 냉각 매체가 흐르는 냉각유로(28)가 형성된다.

이러한 복수의 연료전지 셀(20)은 연속적으로 적층되어 배치되며, 연료전지 셀(20)들의 제일 외각에는 연료전지 스택(10)을 지지하는 엔드 플레이트(30)가 설치된다.

엔드 플레이트(30)에는 연료전지 셀(20)에서 발생되는 전기를 모으기 위한 전류집전체(current collector,)(40)가 설치된다.

한편, 다수의 연료전지 셀(20)이 적층되어 형성되는 연료전지 스택(10) 내부의 온도를 측정하기 위하여 본 실시 예의 연료전지 스택(10) 내부에는 열전대(thermocouple)(60)의 설치를 위한 적어도 하나의 더미셀(dummy cell, 50)이 구비될 수 있다.

더미셀(50)은 다수의 연료전지 셀(20) 중 어느 하나, 바람직하게는 연료전지 스택(10)의 중간 부분에 구비된 연료전지 셀(20)의 구성요소에서 전기화학반응을 수행하는 막-전극 어셈블리(21)를 삭제하여 구성될 수 있다.

이러한 더미셀(50)은 기존의 연료전지 셀(20)에서 막-전극 어셈블리(21)를 제거하고, 남은 가스확산층(51)과 분리판(52,53)만으로 구성하고, 분리판(52,53)의 유로(54,55)는 냉각수가 흐르지 않는 상태로서 유체가 없고 공기만이 차 있는 상태이며, 상기 유로(54,55)내에 열전대(60)를 부착하게 된다.

상기 유로(54)와 유로(54)사이 그리고 유로(55)와 유로(55)사이에는 냉각수 라인이 되는 냉각유로(57)가 구비되는데, 상기 냉각유로(57)는 유체가 흐르지 않도록 실리콘 등으로 막혀 있는 상태이다.

이러한 구성을 통하여, 연료전지 셀(20)의 구성부품, 즉 가스켓을 비롯한 기존 부품을 그대로 사용 가능하며 분리판(52,53)에 유동이 없는 상태이므로 전기 전도/열전도 변화에 의한 에너지 흐름은 크게 바뀌지 않게 된다.

도 3은 다른 실시 예의 더미셀의 구조를 나타낸 것이고, 도 4는 다른 실시 예의 더미셀에서 열전대가 설치되는 위치를 나타낸 것이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시 예의 더미셀(70)은 연료전지 스택(10)의 길이 증가를 줄이도록 기존의 연료전지 셀에서 가스확산층 및 막-전극 어셈블리를 제거하고, 하나의 분리판(71)의 양면에 유로가 없는 박막의 평판(73,74)을 부착하여 구성될 수 있다.

분리판(71)은 지그재그 형태로 구성되어 그 윗면 및 아래면 즉, 서로 대향하도록 배치된 유로(75)를 갖도록 구비되고, 유로(75)에는 도 4에 도시된 바와 같이 열전대(60)가 설치되도록 구비될 수 있다.

한편, 이러한 더미셀(50,70)은 열전달 특성을 정확하게 검출할 수 있도록 분리판의 냉각유로 사이에 배치되도록 구비되는 것이 선호된다.

도 5는 도 3과 도 4에 대한 해석 결과로서, 더미셀이 주변 분리판 온도에 미치는 영향을 평가한 열전달 해석을 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시 예의 더미셀(50)이 주변 분리판의 온도에 미치는 영향을 살펴본 결과, 더미셀(50)의 측정 온도와 냉각수의 평균 온도는 거의 비슷(약 0.1도 차이)하게 형성되고, 분리판과 인접한 더미셀(50)온도는 인접하는 분리판의 온도와 동일하여 더미셀(50)의 장착/온도 측정으로 스택 내의 냉각수 셀 온도를 유추할 수 있게 된다.

이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

10 - 연료전지 스택 20 - 연료전지 셀
21 - 막-전극 어셈블리 23,24 - 분리판
25 - 가스확산층 26 - 공기유로
27 - 수소유로 30 - 엔드플레이트
50,70 - 더미셀 52,53 - 분리판
71 - 분리판 73,74 - 평판

Claims

전해질막의 양측면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 각각 제공되는 막-전극 어셈블리(MEA)(21)와, 상기 막-전극 어셈블리(21)의 양측에 각각 위치하고 냉각유로(28)가 마련된 분리판(23,24)으로 구성되는 연료전지 셀(20)이 복수개 적층된 연료전지의 스택(10)에 있어서,
상기 복수의 연료전지 셀(20) 중 적어도 하나는 상기 스택 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대(60)를 설치하도록 상기 막-전극 어셈블리가 없는 더미셀(dummy cell)(50,70)로 이루어지고;
상기 더미셀(70)은 서로 대향하는 유로(75)를 갖는 분리판(71)과, 상기 분리판(71)의 양면에 부착된 박막의 평판(73,74)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택.
청구항 1에 있어서, 상기 더미셀(50)에는 상기 스택 내부의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 열전대(60)가 마련된 것을 특징으로 하는 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택.
청구항 1에 있어서, 상기 더미셀(50)은 단위전지 셀 중 막-전극 어셈블리를 갖지 않는 단위전지 셀로 구성되는 것을 특징으로 하는 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택.
청구항 1에 있어서, 상기 더미셀(50)은 서로 대향하는 유로(54,55)를 각각 구비한 한 쌍의 분리판(52,53)과, 상기 한 쌍의 분리판 사이에 배치되는 가스확산층(51)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택.
청구항 4에 있어서, 상기 유로(54,55)는 냉각수가 흐르지 않는 상태로서 유체가 없고 공기만이 차 있는 상태인 것을 특징으로 하는 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택.
청구항 4에 있어서, 상기 유로(54)와 유로(54)사이 그리고 상기 유로(55)와 유로(55)사이에는 냉각수 라인이 되는 냉각유로(57)가 구비되는데, 상기 냉각유로(57)는 유체가 흐르지 않도록 실리콘 등으로 막혀 있는 상태인 것을 특징으로 하는 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 더미셀은 상기 분리판(23,24)의 냉각유로(28) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택.