KR101601060B1

KR101601060B1 - Fuel cell stack

Info

Publication number: KR101601060B1
Application number: KR1020100118218A
Authority: KR
Inventors: 고재준; 김영민; 손익제; 윤종진; 변정연; 이종현; 임세준
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2016-03-09
Also published as: KR20120056597A

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터가 밀착되게 배치되는 다수의 단위 셀들을 연속적으로 배열하여 이루어지고, 상기 단위 셀들 사이에 냉각수 통로를 형성하며, 상기 냉각수 통로 측에 구성되며 전류의 방향 전환을 통해 상기 단위 셀들의 가열 및 냉각이 이루어지는 열전소자를 포함한다.A fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention includes a plurality of unit cells arranged so that a separator is closely disposed on both sides of a membrane electrode assembly therebetween, And a thermoelectric element formed on the cooling water passage side and heating and cooling the unit cells through a change of current direction.

Description

Fuel cell stack {Fuel cell stack}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 전지들의 온도를 균일하게 유지시킬 있도록 한 연료 전지 스택에 관한 것이다.An exemplary embodiment of the present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack that maintains the temperature of unit cells uniformly.

알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템으로서, 모터 구동을 위한 전동력을 발생시키는 차량에 적용되고 있다. As is known, the fuel cell system is a kind of power generation system that converts the chemical energy of the fuel directly into electric energy, and is applied to a vehicle generating a motor for driving the motor.

연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열관리 시스템을 포함하여 구성된다. The fuel cell system mainly includes a fuel cell stack that generates electrical energy, a fuel supply device that supplies fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, an air supply device that supplies oxygen in the air, which is an oxidant required for electrochemical reaction, And a thermal management system for removing the reaction heat of the fuel cell stack from the system and controlling the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.With this configuration, in the fuel cell system, electricity is generated by electrochemical reaction between hydrogen as fuel and oxygen in the air, and heat and water are discharged as reaction by-products.

연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 다수 개의 단위 전지들이 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 전지는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하며, 이 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.The fuel cell stack is applied to a fuel cell vehicle. The fuel cell stack includes a plurality of unit cells arranged in series. Each unit cell has a membrane-electrode assembly (MEA) The assembly is composed of an electrolyte membrane capable of moving hydrogen ions (proton) and a catalyst layer coated on both sides of the electrolyte membrane so that hydrogen and oxygen can react with each other, that is, a cathode and an anode.

또한 상기 막-전극 어셈블리(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 세퍼레이터가 위치한다.Further, a gas diffusion layer (GDL) is disposed at an outer portion of the MEA, that is, at an outer portion of the cathode and the anode, and fuel and air are supplied to the cathode and the anode from the outside of the gas diffusion layer A separator formed with a flow field to discharge water generated by the reaction is located.

따라서, 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소 쪽은 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 산소 쪽은 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응을 한다.Therefore, hydrogen and oxygen are ionized by the chemical reaction by the respective catalyst layers, so that the hydrogen side carries out an oxidation reaction in which hydrogen ions and electrons are generated, while the oxygen side carries out a reduction reaction in which oxygen ions react with hydrogen ions to generate water .

즉, 수소가 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급되는 바, 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 가스 확산층과 세퍼레이터를 통하여 캐소드로 전달된다.That is, hydrogen is supplied to an anode (also referred to as an "oxidizing electrode") and oxygen (air) is supplied to a cathode (also referred to as a reducing electrode), and hydrogen supplied to the anode is supplied to both sides of the electrolyte membrane (Proton, H +) are selectively decomposed into hydrogen ions (Proton, H +) and electrons (Electron, e-) Electrons (e, e) are transferred to the cathode through a gas diffusion layer, which is a conductor, and a separator.

이에, 캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 세퍼레이터를 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.Thus, in the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to produce water.

이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다. Due to the movement of the hydrogen ions occurring at this time, an electric current is generated by the flow of electrons through the external lead, and the heat is incidentally generated in the water production reaction.

한편, 연료 전지 스택의 초기 시동 시에는 각 단위 전지로 열을 제공하여 일정한 온도를 유지시킬 필요가 있다.On the other hand, at the initial startup of the fuel cell stack, it is necessary to maintain a constant temperature by providing heat to each unit cell.

따라서, 종래 기술에서는 열관리 시스템을 통해 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하거나 초기 시동 시 단위 전지를 가열하면서 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는데, 연료 전지 스택의 전체적인 측면에서 온도 균일성 확보가 어렵고, 냉각수를 유통시키며 열교환 하는 기본적인 냉각 루프의 구성들 외에 가열 히터, 이온 제거기 등을 필요로 하므로 전체적인 시스템이 복잡해지고, 시스템의 공간적인 제약이 따른다는 문제점을 내포하고 있다.Therefore, in the prior art, the reaction heat of the fuel cell stack is removed to the outside of the system through the thermal management system, or the operating temperature of the fuel cell stack is controlled while heating the unit cell at the initial startup. In the overall aspect of the fuel cell stack, And it requires a heater heater and an ion eliminator in addition to the basic cooling loop configurations for circulating cooling water and exchanging the cooling water, which complicates the entire system and causes a problem that the system is subject to spatial restrictions.

본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 간단한 구조로서 단위 전지들의 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있도록 한 연료 전지 스택을 제공한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터가 밀착되게 배치되는 다수의 단위 셀들을 연속적으로 배열하여 이루어지고, 상기 단위 셀들 사이에 냉각수 통로를 형성하며, 상기 냉각수 통로 측에 구성되며 전류의 방향 전환을 통해 상기 단위 셀들의 가열 및 냉각이 이루어지는 열전소자를 포함한다.To this end, a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention includes a plurality of unit cells arranged in a manner that a separator is closely disposed on both sides of a membrane-electrode assembly therebetween, And a thermoelectric element formed on the cooling water passage side and heating and cooling the unit cells through the change of current direction.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 각 단위 셀에는 온도 센서가 설치될 수 있다.In the fuel cell stack, a temperature sensor may be installed in each unit cell.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 열전 소자는 한 쌍의 전기 전도판 사이에 이극형의 반도체가 조합되어 이루어질 수 있다.In the fuel cell stack, the thermoelectric element may be a combination of a bipolar semiconductor between a pair of electrically conductive plates.

상기 연료 전지 스택은, 상기 온도 센서에 의해 감지된 상기 단위 셀들의 온도가 기설정된 온도 이하인 경우, 상기 열전 소자에 전류를 인가하여 상기 단위 셀들을 가열할 수 있다.The fuel cell stack may heat the unit cells by applying a current to the thermoelectric device when the temperature of the unit cells sensed by the temperature sensor is lower than a predetermined temperature.

상기 연료 전지 스택은, 상기 온도 센서에 의해 감지된 상기 단위 셀들의 온도가 기설정된 온도 이상인 경우, 상기 열전 소자에 반대 방향의 전류를 인가하여 상기 단위 셀들을 냉각할 수 있다.The fuel cell stack may cool the unit cells by applying a current in a direction opposite to the thermoelectric element when the temperature of the unit cells sensed by the temperature sensor is equal to or higher than a predetermined temperature.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 각 단위 셀들 사이에 열전 소자를 구성하여 열전 소자에 인가되는 전류의 양과 방향의 전환을 통해 각 단위 셀의 온도를 독립적으로 냉각 및 가열 제어할 수 있으므로, 단위 셀들의 운전 중 발생되는 열을 효과적으로 관리하며, 단위 셀들의 온도를 독립적으로 균일하게 제어함으로써 전체 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention as described above, the thermoelectric elements are formed between the unit cells, and the temperature of each unit cell is independently cooled and controlled by switching the amount and direction of the current applied to the thermoelectric elements Therefore, the heat generated during the operation of the unit cells can be effectively managed, and the performance and durability of the entire stack can be improved by controlling the temperature of the unit cells independently and uniformly.

또한, 본 실시예에서는 단위 셀들의 운전 중 스택 내 온도를 모니터링하여 저전류 운전시 보다 고전류 인가에 따른 스택 발열량 증가시 열전 소자의 냉각량 증가를 통한 스택의 온도 정밀 조절이 가능하다.Also, in this embodiment, it is possible to control the temperature of the stack by monitoring the temperature in the stack during operation of the unit cells, thereby increasing the amount of cooling of the thermoelectric element when the stack heat generation amount is increased according to application of a high current.

또한, 본 실시예에서는 열전 소자를 통한 단위 셀들의 가열 및 냉각이 이루어지므로, 스택의 열 관리 관련 부품 예컨대, 가열 히터, 냉각수 내의 이온 제거를 위한 센서 및 이온 제거기 등을 삭제할 수 있으며, 이로 인해 전체 시스템의 구성을 단순화시킬 수 있고, 전체 시스템의 공간 효율을 증대시킬 수 있다.In this embodiment, since heating and cooling of the unit cells through the thermoelectric elements is performed, the parts related to the thermal management of the stack, for example, the heater, the sensor for removing ions in the cooling water, and the ion remover can be eliminated. The configuration of the system can be simplified, and the space efficiency of the entire system can be increased.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택에 적용되는 열전소자를 개략적으로 나타내 보인 도면이다.These drawings are for the purpose of describing an exemplary embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a block diagram schematically showing a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a schematic view showing a thermoelectric device applied to a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. .

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.1 is a block diagram schematically showing a fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 연료 전지 차량의 연료 전지 시스템에 구성되는 것으로서, 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생 집합체로 이루어질 수 있다.Referring to the drawings, a fuel cell stack 100 according to an exemplary embodiment of the present invention is constituted in a fuel cell system of a fuel cell vehicle. The fuel cell stack 100 includes an electricity generating unit that generates electric energy by an electrochemical reaction of a fuel and an oxidant Can be made of aggregates.

여기서, 연료는 연료 전지 스택이 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성되는 경우, 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스 연료를 포함할 수 있다.Here, when the fuel cell stack is configured as a direct oxidation fuel cell type, the fuel may include an alcohol such as methanol, ethanol, etc., and a liquid fuel containing methane, ethane, propane, and butane as main components Lt; RTI ID = 0.0 > liquefied gas fuel. &Lt; / RTI >

그리고, 연료는 연료 전지 스택이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식으로 구성되는 경우, 당 업계에서 "리포머(Reformer)"라고 하는 개질 장치를 통해 상기한 액체 연료 또는 액화 가스 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스를 포함할 수도 있다.When the fuel cell stack is configured by a polymer electrolyte membrane fuel cell (Fuel Cell) method, the fuel is supplied from the liquid fuel or the liquefied gas fuel through a reforming device called "Reformer" And a reformed gas of the generated hydrogen component.

또한, 상기 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다.In addition, the oxidant may be an oxygen gas stored in a separate storage tank, or may be natural air.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택(100)은 단위의 연료 전지인 다수의 단위 셀들(1)을 연속적으로 배열하여 이루어지는데, 이러한 연료 전지는 상술한 바 있는 연료에 따라 고분자 전해질형 연료 전지로 이루어질 수 있으며, 직접 산화형 연료 전지로서 이루어질 수도 있다.The fuel cell stack 100 according to the exemplary embodiment of the present invention is formed by successively arranging a plurality of unit cells 1, which are unit fuel cells, in accordance with the fuel described above, Type fuel cell, or may be a direct oxidation fuel cell.

이 때, 상기 단위 셀(1)은 막-전극 어셈블리(3)와, 그 막-전극 어셈블리(3)의 양측면에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터(5)(당 업계에서는 통상적으로 "분리판" 또는 "바이폴라 플레이트" 라고도 한다)으로 이루어지는 바, 세퍼레이터(5)는 막-전극 어셈블리(3)의 일측면으로 연료를 공급하고, 막-전극 어셈블리(3)의 다른 일측면으로 산화제를 공급하기 위한 것이다.The unit cell 1 includes a membrane electrode assembly 3 and a separator 5 disposed in close contact with both side surfaces of the membrane electrode assembly 3 Separator 5 is for supplying the fuel to one side of the membrane-electrode assembly 3 and for supplying the oxidizing agent to the other side of the membrane-electrode assembly 3 (hereinafter also referred to as " bipolar plate " .

여기서, 막-전극 어셈블리(3)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.Here, the membrane-electrode assembly 3 has a structure in which an anode electrode is formed on one surface and a cathode electrode is formed on the other surface, and an electrolyte membrane is formed between the two electrodes.

애노드 전극은 세퍼레이터(5)를 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 기능을 하게 된다.The anode electrode oxidizes the fuel supplied through the separator 5 to separate electrons and hydrogen ions, and the electrolyte membrane functions to transfer hydrogen ions to the cathode electrode.

그리고, 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터(5)를 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.The cathode electrode functions to generate moisture and heat by reducing the electrons, hydrogen ions, and the oxidant supplied through the separator 5 from the anode electrode side.

도면에서 참조 부호 6,7은 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 연료와 산화제를 확산시키기 위한 가스 확산층(GDL)을 나타낸다.Reference numerals 6 and 7 denote gas diffusion layers (GDL) for diffusing the fuel and the oxidant into the anode and cathode electrodes of the membrane-electrode assembly.

한편, 상기 세퍼레이터(5)에는 막-전극 어셈블리(3)의 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 연료와 산화제를 공급하기 위한 채널(도면에 도시되지 않음)을 형성하고 있다.On the other hand, the separator 5 is formed with a channel (not shown) for supplying fuel and an oxidant to the anode and cathode electrodes of the membrane-electrode assembly 3.

다른 한편으로, 상기 각 단위 셀(1)에서는 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 과정에 열이 발생하게 되는데, 이에 상기 각 단위 셀(1) 사이에는 냉각 매체의 일 예로서 냉각수를 유통시킬 수 있는 냉각수 통로(9)를 형성하고 있다.On the other hand, in each of the unit cells 1, heat is generated in the course of generating electrical energy through an electrochemical reaction between the fuel and the oxidizing agent. Accordingly, between the unit cells 1, A cooling water passage 9 capable of circulating cooling water is formed.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 단위 셀들(1)의 운전 중에 발생하는 열을 효과적으로 관리하면서 단위 셀들(1)의 온도를 독립적으로 균일하게 제어함으로써 전체 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 구조로서 이루어진다.The fuel cell stack 100 according to the present embodiment configured as described above can independently and uniformly control the temperature of the unit cells 1 while effectively managing the heat generated during operation of the unit cells 1, And a structure capable of improving durability.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택(100)은 냉각수 통로(9) 측에 구성되며 전류 량과 방향의 전환을 통해 단위 셀들(1)의 가열 및 냉각이 이루어지는 열전소자(10)를 포함하고 있다.For this, the fuel cell stack 100 according to the exemplary embodiment of the present invention includes a thermoelectric element (not shown) formed on the cooling water passage 9 side for heating and cooling the unit cells 1 10).

상기 열전소자(10)는 냉각수 통로(9)를 중간에 두고 단위 셀들(1) 사이에 배치되는 바, 도 2에서와 같이 한 쌍의 전기 전도판(11) 사이에 이극형의 반도체(13)가 조합되어 이루어진다.The thermoelectric element 10 is disposed between the unit cells 1 with the cooling water passage 9 in the middle. As shown in FIG. 2, the thermoelectric element 10 is provided between the pair of electrically conductive plates 11, .

즉, 상기 열전소자(10)는 전원으로부터 인가되는 전류의 방향(도 2의 (a)와 (b) 참조)에 따라 흡열 또는 발열 현상이 일어난다.That is, the thermoelectric transducer 10 generates an endothermic or exothermic phenomenon in accordance with the direction of the current applied from the power source (see FIGS. 2A and 2B).

이러한 열전소자(10)는 펠티에 효과(peltier effect)를 이용한 공지 기술의 열전 소자로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the thermoelectric element 10 is a known thermoelectric element using a peltier effect, a detailed description of its constitution will be omitted here.

한편, 상기한 각 단위 셀(1)에는 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기(21)로 출력할 수 있는 온도 센서(31)가 구비된다.Each of the unit cells 1 is provided with a temperature sensor 31 for sensing the temperature and outputting the detection signal to the controller 21.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)에 의하면, 각 단위 셀들(1) 사이에 열전 소자(10)를 구성하여 열전 소자(10)에 인가되는 전류의 양과 방향의 전환을 통해 각 단위 셀(1)의 온도를 독립적으로 냉각 및 가열 제어할 수 있으므로, 단위 셀들(1)의 운전 중 발생되는 열을 효과적으로 관리할 수 있다.Therefore, in the fuel cell stack 100 according to the exemplary embodiment of the present invention configured as described above, the thermoelectric elements 10 are formed between the unit cells 1, The temperature of each unit cell 1 can be independently controlled to be cooled and heated by switching the amount and direction of the unit cells 1, so that the heat generated during the operation of the unit cells 1 can be effectively managed.

예를 들면, 제어기(21)는 차량의 냉 시동 시, 열전 소자(10)에 전류를 인가하여 그 열전 소자(10)에서 발열이 일어나도록 함으로써 단위 셀들(1)을 가열한다.For example, when the vehicle is cold-started, the controller 21 applies a current to the thermoelectric element 10 to cause the thermoelectric element 10 to generate heat, thereby heating the unit cells 1.

그리고, 제어기(21)는 온도 센서(31)에서 입력된 신호를 전송받아 단위 셀(1)의 온도가 기설정된 온도 이상(고출력으로 인해 기준온도 이상)인 경우, 열전 소자(10)에 반대 방향의 전류를 인가하여 그 열전 소자(10)에서 흡열이 일어나도록 함으로써 단위 셀들(1)을 냉각시킨다.When the temperature of the unit cell 1 is higher than a predetermined temperature (higher than the reference temperature due to high output) by receiving the signal input from the temperature sensor 31, So that the unit cells 1 are cooled by allowing the thermoelectric element 10 to absorb heat.

이로써 본 실시예에서는 단위 셀들(1)의 온도를 독립적으로 균일하게 제어함으로써 전체 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.Thus, in this embodiment, the temperature of the unit cells 1 can be controlled independently and uniformly, thereby improving the performance and durability of the entire stack.

또한, 본 실시예에서는 단위 셀들(1)의 운전 중 스택 내 온도를 모니터링하여 저전류 운전시 보다 고전류 인가에 따른 스택 발열량 증가시 열전 소자(10)의 냉각량 증가를 통한 스택의 온도 정밀 조절이 가능해진다.Also, in this embodiment, the temperature in the stack is monitored during operation of the unit cells 1, and the temperature precision control of the stack by increasing the amount of cooling of the thermoelectric element 10 when the stack heat generation amount is increased according to the application of a high current It becomes possible.

아울러, 본 실시예에서는 열전 소자(10)를 통한 단위 셀들(1)의 가열 및 냉각이 이루어지므로, 스택의 열 관리 관련 부품 예컨대, 가열 히터, 냉각수 내의 이온 제거를 위한 센서 및 이온 제거기 등을 삭제할 수 있으며, 이로 인해 전체 시스템의 구성을 단순화시킬 수 있고, 전체 시스템의 공간 효율을 증대시킬 수 있다.In addition, in this embodiment, heating and cooling of the unit cells 1 are performed through the thermoelectric element 10, so that the parts related to the thermal management of the stack, for example, the heater, the sensor for removing ions in the cooling water, Which can simplify the configuration of the entire system and increase the space efficiency of the entire system.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

1... 단위 셀 3... 막-전극 어셈블리(MEA)
5... 세퍼레이터 6, 7... 가스 확산층
9... 냉각수 통로 10... 열전 소자
11... 전기 전도판 13... 반도체
21... 제어기 31... 온도 센서1 ... unit cell 3 ... membrane-electrode assembly (MEA)
5 ... Separator 6, 7 ... Gas diffusion layer
9 ... cooling water passage 10 ... thermoelectric element
11 ... electric conduction plate 13 ... semiconductor
21 ... controller 31 ... temperature sensor

Claims

A fuel cell stack comprising a plurality of unit cells arranged continuously with a separator therebetween on both sides of a membrane electrode assembly therebetween and forming a cooling water passage between the unit cells,
A thermoelectric element formed on the cooling water passage side between the unit cells and performing heating and cooling of the unit cells through switching of current direction; and a temperature sensor provided in each unit cell,
Wherein when the temperature of the unit cell sensed by the temperature sensor is lower than a predetermined temperature, a current is applied to the thermoelectric element to heat the unit cell,
Wherein when the temperature of the unit cell sensed by the temperature sensor is equal to or higher than a predetermined temperature, a current in the opposite direction to the thermoelectric element is applied to cool the unit cell.

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The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric element is a combination of a bipolar semiconductor between a pair of electrically conductive plates.

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