KR101936438B1 - 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 면상발열체를 갖는 더미셀을 이용하여 셀의 중앙부에 축적되는 응축수를 제거할 수 있도록 한 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 스택을 구성하는 다수의 셀 중 선택된 셀 사이에 면상발열체와 가스확산층이 동일 평면을 이루며 조합된 통전성 더미판을 삽입 배치하고, 통전성 더미판에 전원을 인가하는 수단을 연결하여, 연료전지 운전 중 셀 내 축적되는 물을 면상발열체의 작동열에 의하여 제거할 수 있고, 스택에 대한 빠른 가열을 통해 스택을 최적 운전 온도까지 신속하게 도달시킬 수 있도록 한 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택을 제공하고자 한 것이다.

Description

발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택{Fuel cell stack having heater dummy cell}

본 발명은 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 면상발열체를 갖는 더미셀을 이용하여 셀의 중앙부에 축적되는 응축수를 제거할 수 있도록 한 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택에 관한 것이다.

고분자 연료전지 자동차는 연료의 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 전기 에너지로 바꾸어 동력을 얻는 친환경 차량으로서, 수십에서 수백의 단위 셀이 적층된 연료전지 스택이 탑재되어 있다.

상기 연료전지 스택의 셀 단위 구성을 첨부한 도 7을 참조로 살펴보면, 가장 안쪽 위치에는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(10)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(12, cathode) 및 연료극(14, anode)을 포함하는 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치된다.

또한, 상기 공기극(12) 및 연료극(14)의 바깥 부분에는 가스확산층(16, GDL: Gas Diffusion Layer) 및 가스켓(18)이 차례로 적층되고, 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 고정시키기 위한 엔드 플레이트(30, End plate)가 결합된다.

이러한 연료전지 스택의 전기 생성을 위한 원리를 보면, 연료극으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 공기극으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층과 분리판을 통하여 공기극으로 전달된다.

이에, 공기극에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기극으로 공급된 공기중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.

이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.

이러한 연료전지내의 화학 반응은 아래의 반응식과 같다.

[연료극에서의 반응] 2H₂ → 4H⁺ + 4e^-

[공기극에서의 반응] O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O

[전체반응] 2H₂ + O₂ → 2H₂O + 전기에너지 + 열에너지

상기와 같은 연료전지 운전 중, 단위 셀 내에서도 반응 열, 연료 유량 등에 따라 온도 차이가 나타나며, 이에 따라 셀 내 축적된 액적량의 차이가 발생하게 되며, 이렇게 셀 내 중앙 부분에 액적이 축적된 것을 중성자 가시화 평가를 통해 연료전지 내 액적량 분포 차이를 나타낸 도 5에서 확인할 수 있다.

셀 내 액적이 축적되는 예로서, 연료전지 반응 중 공기극에서 생성된 물이 가스확산층에 의해서 연료극으로 이동하여 축적되는 바, 이 연료극에 축적된 물은 연료전지 내구에 악영향을 미친다.

즉, 연료극에 물이 축적되면 1차적으로 수소의 공급을 막아 연료극의 탄소 즉, 연료극을 위한 촉매층에 포함된 탄소를 부식시키고, 이 탄소 부식 현상은 탄소담지체내 존재하는 백금(Pt)의 손실을 초래하여 연료전지 수명을 크게 저하시키는 원인이 된다.

이때, 연료전지 운전 중 생성된 물은 셀 내 부위별로도 생성량 차이가 나게 되는데, 공기 또는 연료가 들어가는 셀의 입구보다 셀의 중앙부분에 응축수가 더 많이 축적되는 바, 그 이유는 공기 입구 측에서는 고 유량의 공기가 응축수를 셀 내 중앙부분쪽으로 밀어내고, 수소 입구 측에서는 반응 열에 의해 포화수 증기량이 높아져 물량이 셀 중앙 부분으로 몰리기 때문이다.

이렇게 셀 내 중앙부분에 액적이 축적된 상태에서 연료전지의 운전 후 열화된 셀을 12등분 하여 셀 내 부분별 잔존 전극량을 측정하였는 바, 그 결과는 도 6에 도시된 바와 같다.

도 6에 도시된 분리판에서 음영이 짙은 양쪽 부분은 잔존 전극량이 많이 존재하고, 음영이 옅은 중앙 부분은 전극 손상에 따른 잔존 전극량이 적은 부분을 나타내는 바, 액적으로 인해 셀의 중앙부분에 전극 손상이 더욱 심하게 발생됨을 확인할 수 있다.

또한, 겨울철 주차 중, 연료전지 스택 내 잔존하던 물이 동결되면, 해동 전까지 연료전지 전극(연료극, 공기극)과 공급가스(수소, 공기) 간의 접촉을 막아 전극막 접합체(MEA)의 내구성을 떨어뜨리고, 순간적인 전압강하로 인한 시동 실패까지도 이어질 수 있다.

이와 같이, 스택의 셀 내에 축적되는 액적으로 인하여, 전극막접합체의 연료극 및 공기극을 구성하는 촉매층내의 탄소 부식이 발생하는 동시에 탄소 담지체 내 존재하는 백금(Pt)의 소실을 초래하여, 연료전지 수명을 떨어뜨리는 치명적인 원인이 되므로, 연료전지 운전 중 셀 내 축적된 물을 제거하여 연료전지 내구성을 확보하기 위한 방안이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택을 구성하는 다수의 셀 중 선택된 셀 사이에 면상발열체와 가스확산층이 동일 평면을 이루며 조합된 통전성 더미판을 삽입 배치하고, 통전성 더미판에 전원을 인가하는 수단을 연결하여, 연료전지 운전 중 셀 내 축적되는 물을 면상발열체의 작동열에 의하여 제거할 수 있고, 스택에 대한 빠른 가열을 통해 스택을 최적 운전 온도까지 신속하게 도달시킬 수 있도록 한 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 다수의 정상셀 중 선택된 정상셀 사이에 면상발열체와 가스확산층이 동일 평면을 이루며 조합된 통전성 더미판을 삽입 배치하고, 통전성 더미판에 전원을 인가하는 외부 전원수단을 연결하여서 된 것을 특징으로 하는 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택을 제공한다.

본 발명에 따른 상기 통전성 더미판의 면상발열체는 가운데 배치되고, 이 면상발열체의 양측에 가스확산층이 동일 평면을 이루며 연접되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 통전성 더미판은 다수의 정상셀들 중 10셀 간격마다 삽입 배치되고, 엔드셀 부위에는 5 셀 마다 배치되도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 통전성 더미판의 면상발열체에 외부 전원수단이 도전라인으로 연결되고, 외부 전원수단과 면상발열체 간의 도전라인에는 퓨즈가 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 외부 전원수단은 리튬 이온 배터리, 수퍼 커패시터, NI-MH 배터리 중 선택된 하나로 채택되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 연료전지 스택을 구성하는 다수의 셀 중 선택된 셀 사이에 면상발열체와 가스확산층이 조합된 통전성 더미판을 삽입 배치하고, 통전성 더미판에 전원을 인가해줌으로써, 면상발열체의 작동열에 의거 셀 내부 중앙에 축적된 액적(응축수)이 포화 수증기로 변하여 제거될 수 있다.

특히, 과액적에 의한 홍수현상(flooding)이나 역전압으로 인한 연료극 또는 공기극의 탄소 부식 현상을 방지하여, 연료전지 내구성을 높일 수 있다.

또한, 스택 운전시 면상발열체에 의한 빠른 스택 가열을 통해 스택이 최적 운전 온도에 일찍 도달할 수 있다.

또한, 면상발열체의 작동열에 의거 셀 내 온도 분포를 균일하게 유지시킬 수 있으므로, 기존에 셀 내 불균일한 온도 분포로 인한 액적 발생 문제 등을 해결할 수 있고, 특히 냉시동 시 셀 내부에 동결된 물을 빨리 해동시킬 수 있어서 시동 실패 문제를 해결할 수 있다.

또한, 면상발열체의 발열로 인해 스택의 온도를 높이고 셀 내의 응축수를 제거할 수 있으므로, 셀 내 전기생성을 위한 반응 속도를 높여 저 유량 운전이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택에 포함되는 더미셀인 통전성 더미판 구조를 나타낸 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택에 포함되는 더미셀인 통전성 더미판의 적층 위치를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택에 포함되는 더미셀의 삽입 간격을 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택에 포함되는 더미셀인 통전성 더미판에 대한 전원 인가 회로에 대한 구성도,
도 5는 셀 내 중앙 부분에 액적이 축적된 것을 보여주는 이미지도,
도 6은 연료전지의 운전 후 열화된 셀을 12등분 하여 셀 내 부분별 잔존 전극량을 나타낸 개략도,
도 7은 연료전지 스택의 셀 단위 구성을 나타낸 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이, 연료전지는 연료극에서의 반응을 통해 생성된 전자와 수소이온이 공기극의 산소와 만나 물과 전기와 열에너지를 만드는 전기화학 반응으로 전기에너지를 발생시키는 장치이며, 이러한 연료전지의 전기화학 반응시 공기극에서 물이 생성되는데 고전류 영역의 부하(load)가 가해질수록 더 많은 물이 생성되고, 고전류 영역에서 생성된 물은 전해질 막을 투과해 연료극으로도 이동한다.

이때 생성된 물이 연료극 및 공기극에 각각 공급되는 연료(수소)와 공기에 의해 배출되지 못하고, 셀 내에 축적되어 연료의 공급을 막거나, 전극막접합체의 촉매층에 포함된 탄소를 부식시켜 연료전지의 내구성을 저감시키게 된다.

본 발명은 일종의 더미셀로서 면상발열체와 가스확산층이 조합된 더미판을 연료전지 스택에 포함시켜, 연료전지 운전 중 셀 내 중앙부분에 축적된 응축수를 면상발열체의 발열을 이용하여 제거하고자 한 점에 주안점이 있다.

이를 위해, 첨부한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 연료전지 스택은 면상발열체(42)와 가스확산층(44)이 동일 평면을 이루며 조합된 통전성 더미판(40)을 포함한다.

상기 통전성 더미판(40)은 스택의 전기 생성을 위한 반응을 하지 않는 더미셀로서, 가운데에 면상발열체(42)가 배치되고, 이 면상발열체(42)의 양측에 가스확산층(44)이 동일 평면을 이루며 연접된 구조를 갖는다.

이렇게 구비된 통전성 더미판(40)의 면상발열체(42)는 외부에 절연 코팅이 되어 있기 때문에, 통전성 더미판(40)의 삽입 전후에 배치되는 정상셀의 연료극측 분리판(20a)과 공기극측 분리판(20b) 사이의 통전 물질이 필요하고, 그에 따라 면상발열체(42)의 양측부에 연료극측 분리판(20a)과 공기극측 분리판(20b) 간의 통전재로서 가스확산층(44)이 배치된 것이다.

다시 말해서, 어느 하나의 정상셀의 연료극측 분리판(20a)과, 인접한 다른 하나의 정상셀의 공기극측 분리판(20b) 사이에 통전성 더미판(40)이 배치됨에 따라, 어느 하나의 정상셀과 인접한 다른 하나의 정상셀 간의 집전을 위한 통전수단이 필요하며, 이를 위해 면상발열체(42)의 양측부에 연료극측 분리판(20a)과 공기극측 분리판(20b) 간의 통전재로서 가스확산층(44)이 배치된다.

이때, 상기 면상발열체(42)를 가운데에 배치한 이유는 상기와 같이 셀 내 중앙영역에 주로 액적이 축적되므로 면상발열체(42)의 발열로 액적을 제거하기 위함이고, 상기 면상발열체(42)의 양측에 배치된 가스확산층(44)은 직접 전기 생성을 위한 반응에 참여하지 않고 상기와 같이 정상셀에서 생성된 전기를 집전판쪽으로 도전시키기 위한 일종의 통전재로 적용된 것이다.

한편, 상기 면상 발열체(42)는 전기저항을 갖는 세라믹 저항체(탄소층)의 발열부위를 매개로 전기에너지를 열에너지로 변환시켜주는 면상 형태의 발열체로서, 기존의 열선이나 난방 필름의 전기적인 문제점과 달리 안전성과 내구성이 좋은 장점이 있고, 소비 전력이 적으며, 또한 적은 소비전력으로도 1분의 발열시간 동안 40℃ 이상 발열이 가능하고, 전기로 열에너지를 얻는 방법이기 때문에 냄새나 소음, 먼지가 없는 친환경 발열체를 말한다.

본 발명에 따르면, 면상발열체(42)와 가스확산층(44)이 동일 평면을 이루며 조합된 통전성 더미판(40)은 수십에서 수백의 정상셀이 적층된 상태에서 다수의 정상셀들 간에 일정 간격 사이에 혹은 균등한 간격마다 삽입 배치되고, 엔드셀 부위에는 더 작은 간격으로 배치되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 도 3에서 보듯이 각 정상셀의 10 셀 간격마다 삽입 배치하고, 엔드셀 부위에는 5 셀 마다 삽입 배치된다.

상기 통전성 더미판(40)을 스택 내부에 10 셀 마다 삽입하는 이유는 격셀로 통전성 더미판을 삽입하게 되면, 스택의 부피와 중량이 커지고, 전기 저항이 커지기 때문에 10 셀로 제한하는 것이 바람직하다.

이에, 상기 면상발열체(42)를 포함하는 통전성 더미판(10)이 단모듈 스택(약 210~220 셀이 적층된 스택)에 삽입되는 경우, 21~22 개의 통전성 더미판(10)을 적용할 수 있고, 경우에 따라 물이 많은 엔드셀 부위에는 5 셀 마다 적용하는 것도 가능하다.

한편, 상기 스택의 정상셀은 외부 전원과 별개적으로 전기를 생산하고, 상기 통전성 더미판(40)의 면상발열체(42)의 발열을 위한 전기 공급은 리튬 이온 배터리, 수퍼 커패시터(super capacity), NI-MH 배터리 등의 외부 전원수단(46)을 사용한다.

이에, 도 4에서 보듯이 상기 외부 전원수단(46)과 각 저항 역할을 하는 면상발열체(42)를 서로 병렬로 연결시킴과 함께, 전기적 안전을 위해 외부 전원수단(46)과 면상발열체(42) 간의 도전라인에는 퓨즈(48)가 연결된다.

따라서, 연료전지 운전 중, 외부 전원수단(46)에서 면상발열체(42)에 전원을 인가하면, 면상발열체(42)의 작동열에 의거 셀 내부 중앙에 축적된 액적(응축수)이 포화 수증기로 변한 후, 예를 들어 수소 퍼지 등과 같은 상황에서 수소와 함께 외부로 배출 제거될 수 있다.

이때, 상기 면상 발열체(42)의 최대 발열 온도는 약 70℃ 로서, 현재 사용하는 연료전지의 운전온도(60℃~80℃)와도 비슷한 수치이므로, 스택이 면상 발열체에 의하여 과하게 열화되는 것을 막을 수 있다.

특히, 스택의 셀 내에 축적되는 액적으로 인하여, 전극막접합체의 연료극 및 공기극을 구성하는 촉매층내의 탄소 부식을 방지하는 동시에 탄소 담지체 내 존재하는 백금(Pt)의 소실을 방지할 수 있으므로, 연료전지 내구성 및 수명 한도를 확보할 수 있다.

또한, 겨울철과 같은 연료전지 냉 시동시, 면상 발열체의 발열에 의하여 스택을 최적 운전 온도로 신속하게 상승시킬 수 있으므로, 냉시동성을 향상시킬 수 있다.

10 : 고분자 전해질막
12 : 공기극
14 : 연료극
16 : 가스확산층
18 : 가스켓
20 : 분리판
30 : 엔드 플레이트
40 : 통전성 더미판
42 : 면상발열체
44 : 가스확산층
46 : 외부 전원수단
48 : 퓨즈

Claims (5)

1. 다수의 정상셀 중 선택된 정상셀 사이에 면상발열체와 가스확산층이 동일 평면을 이루며 조합된 통전성 더미판을 삽입 배치하고, 통전성 더미판에 전원을 인가하는 외부 전원수단을 연결하되,
   상기 면상발열체는 외부에 절연 코팅되고, 상기 가스확산층은 연료극측 분리판과 공기극측 분리판 간의 통전재로서 배치되며,
   상기 통전성 더미판의 면상발열체는 가운데 배치되고, 상기 가스확산층은 면상발열체의 양측에 동일 평면을 이루며 연접되어 정상셀에서 생성된 전기를 집전판으로 도전시키는 통전재로 채택된 것임을 특징으로 하는 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 통전성 더미판은 다수의 정상셀들 간에 일정 간격 사이에 혹은 균등한 간격마다 삽입 배치되고, 엔드셀 부위에는 더 작은 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 통전성 더미판의 면상발열체에 외부 전원수단이 도전라인으로 연결되고, 외부 전원수단과 면상발열체 간의 도전라인에는 퓨즈가 연결되는 것을 특징으로 하는 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 외부 전원수단은 리튬 이온 배터리, 수퍼 커패시터, NI-MH 배터리 중 선택된 하나로 채택되는 것을 특징으로 하는 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택.

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