KR102540510B1 - 응축수 제거가 가능한 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 셀 내에 존재하는 응축수가 효과적으로 제거될 수 있는 연료전지를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 셀을 구성하는 부품들로서, 고분자 전해질막에 전극인 캐소드와 애노드가 형성된 막전극접합체, 상기 막전극접합체에 적층된 기체확산층, 및 상기 기체확산층에 적층된 분리판을 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 셀의 부품들 중 서로 접합되는 두 부품 사이에 구비되어 접합된 부품의 습도 상태에 따라 상기 두 부품의 계면에서의 전기적 접촉저항을 변화시키는 접촉저항 가변수단을 더 포함하고, 상기 접촉저항 가변수단은 상기 접합된 부품의 습도가 증가할수록 상기 두 부품의 계면에서의 전기적 접촉저항을 증가시키도록 된 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지가 개시된다.

Description

응축수 제거가 가능한 연료전지{Fuel cell capable of removing condensed water}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀 내에 존재하는 응축수가 효과적으로 제거될 수 있는 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전 장치로서, 산업용 및 가정용, 차량용 전원으로 널리 이용되고 있고, 소형의 전기/전자제품이나 휴대기기의 전력을 공급하는 데에도 이용될 수 있다.
현재 차량용 연료전지로는 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 가장 많이 이용되고 있으며, 연료전지 차량에서 차량을 구동하는 모터와 각종 전기장치에 전력을 공급하는 동력원(전력원)으로 이용되고 있다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 연료 가스로 수소를 사용하고, 산화제 가스로 산소 또는 산소가 포함된 공기를 사용한다.
연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 반응시켜 전기에너지를 생성하는 단위 셀을 포함하며, 통상적으로 출력 요구 수준을 충족시키기 위해 복수 개의 셀을 적층 및 직렬로 연결하여 조립한 스택(stack) 형태로 사용되고 있다.
차량용 연료전지의 경우에도 높은 출력이 요구됨에 따라 전기에너지를 개별적으로 생성하는 단위 셀(unit cell) 수백 개를 스택 형태로 적층하여 그 요건을 충족시키고 있다.
고분자 전해질막 연료전지의 단위 셀 구성을 살펴보면, 수소 이온이 이동하는 고분자 전해질막(polymer electrolyte membrane)을 중심으로 막 양쪽 면에 전극(electrode)이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응 가스인 연료 가스와 산화제 가스를 막전극접합체에 공급하고 생성된 전기에너지를 전달하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응 가스 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓(gasket) 및 체결기구, 그리고 반응 가스 및 냉각수를 이동시키는 분리판(BP:Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.
이러한 연료전지의 단위 셀을 구성하는 부품들 중, 막전극접합체(MEA)는, 수소 이온을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막의 양면에 부착되고 연료 가스인 수소와 산화제 가스인 공기(또는 산소)가 반응할 수 있도록 해주는 촉매가 도포된 전극인 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)로 구성되어 있다.
상기 막전극접합체(MEA)의 바깥부분, 즉 애노드 및 캐소드의 바깥부분에는 연료 가스와 산화제 가스를 고르게 분포시키기 위한 기체확산층(GDL)이 적층되고, 기체확산층의 바깥쪽에는 반응 가스와 냉각수가 통과하는 유로를 제공하면서 반응 가스를 기체확산층으로 공급하는 분리판(BP)이 위치된다.
또한, 단위 셀을 구성하는 부품 사이에 유체의 실(seal)을 위한 가스켓 등이 개재되도록 적층되고, 이 가스켓은 막전극접합체 또는 분리판에 일체로 성형된 상태로 제공될 수 있다.
이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수 개의 셀을 적층한 뒤, 가장 바깥쪽에는 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트를 결합하고, 스택 체결기구를 이용하여 엔드 플레이트와 셀들을 함께 체결해줌으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
한편, 연료전지에서 기체확산층은 고분자 전해질막에 형성된 촉매층 전극, 즉 캐소드와 애노드에 접합되어 반응 가스인 수소와 공기(산소)를 공급하고, 전기화학 반응에 의해 생성된 전자를 이동시키며, 반응생성수를 배출시켜 연료전지 셀 내 플러딩(flooding) 현상을 최소화시키는 등의 다양한 기능을 한다.
그리고, 연료전지의 막전극접합체에서 전기화학 반응이 일어나면 캐소드에서 물이 발생하고, 이 물은 애노드로 역확산(back diffusuion)되어 이동하거나 외부로 배출되는데, 이때 배출 통로가 되는 기체확산층을 거치게 된다.
하지만, 높은 전류 범위에서 물의 발생량이 많아지면 물이 기체확산층의 기공을 막아 반응에 필요한 수소와 공기의 이동을 방해하고, 이는 전기화학 반응을 방해하여 연료전지의 성능을 감소시킨다.
이에 따라 기체확산층에서 물이 잘 배출되도록 기체확산층의 기공을 조절하거나 기체확산층에 발수 코팅을 하는 방법 등이 적용되고 있는데, 이러한 방법으로는 물이 응축되는 것을 방지하는데 한계가 있다.
이와 관련하여 등록특허 제10-1655480호(2016.09.01.)에서는 캐소드와 애노드 사이의 전위차 발생시 발열하는 전도성 고분자층을 기체확산층에 코팅 및 형성하여, 연료전지의 발전 동안 전위차가 발생하면 전도성 고분자층이 발열되면서 기체확산층에서의 수분 응축을 방지하도록 하고 있다.
그러나, 상기와 같이 전위차 발생시 발열하는 전도성 고분자층을 이용할 경우, 스택 내 습도 수준에 관계없이 연료전지의 발전으로 전위차가 발생하기만 하면 전도성 고분자층이 발열하기 때문에 오히려 열에 의해 스택이 건조해질 수 있는 문제가 있다.
또한, 전도성 고분자층이 접촉하는 막전극접합체의 표면에서 발열로 인한 핫 스팟(hot spot)이 발생할 수 있는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 상기한 스택 건조 현상의 발생이나 막전극접합체에서의 핫 스팟 등 발생 없이 셀 내에 존재하는 응축수를 효과적으로 제거할 수 있는 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 셀을 구성하는 부품들로서, 고분자 전해질막에 전극인 캐소드와 애노드가 형성된 막전극접합체, 상기 막전극접합체에 적층된 기체확산층, 및 상기 기체확산층에 적층된 분리판을 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 셀의 부품들 중 서로 접합되는 두 부품 사이에 구비되어 접합된 부품의 습도 상태에 따라 상기 두 부품의 계면에서의 전기적 접촉저항을 변화시키는 접촉저항 가변수단을 더 포함하고, 상기 접촉저항 가변수단은 상기 접합된 부품의 습도가 증가할수록 상기 두 부품의 계면에서의 전기적 접촉저항을 증가시키도록 된 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 접촉저항 가변수단은 상기 두 부품 사이에 적층 개재되는 팽윤 특성의 고분자막을 포함하고, 상기 고분자막은 상기 두 부품의 전체 표면 중 일부 표면 사이에만 적층 개재될 수 있다.
또한, 상기 고분자막은, 수분함유량이 증가할수록 더 큰 부피가 되도록 팽창하고, 수분함유량이 감소할수록 더 작은 부피가 되도록 수축하는 고분자막일 수 있다.
또한, 상기 고분자막은 기체확산층과 막전극접합체 사이에 적층 개재될 수 있다.
또한, 상기 고분자막은 기체확산층과 분리판의 랜드부 사이에 적층 개재될 수 있다.
또한, 상기 분리판의 랜드부 표면에 각각 정해진 폭을 가지면서 길게 막대 형상으로 형성되어 나란하게 배치되는 복수 개의 고분자막들이 형성되고, 상기 고분자막들이 분리판의 랜드부를 랜드부 길이방향에 대해 횡으로 가로지르는 방향으로 길게 형성되며, 상기 각 고분자막의 양단부가 분리판의 가스 채널을 형성하는 유로 홈 내측면에 적층되도록 연장 형성되어, 상기 각 고분자막이 분리판의 랜드부에서 유로 홈 내측면까지 이어지는 'ㄷ' 자 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 고분자막은 분리판의 랜드부에 랜드부 길이방향의 정해진 구간에 형성되고, 상기 정해진 구간은 분리판의 이웃한 두 랜드부 사이의 유로 내에 흐르는 반응 가스의 흐름 방향을 기준으로 하류 측이 되는 분리판의 유로 출구부 측에 해당하는 정해진 구간일 수 있다.
또한, 상기 고분자막은 셀에서 연료 가스와 산화제 가스가 막전극접합체에 공급되어 연료전지 반응이 일어나는 반응 영역의 바깥쪽 외곽 영역인 미반응 영역에 형성될 수 있다.
또한, 상기 미반응 영역은, 분리판에서 중앙의 사각 영역에 해당하는 상기 반응 영역과 분리판에서 냉각수와 반응 가스를 공급하기 위한 매니폴드 홀이 형성된 영역 사이의 영역으로서, 분리판에서 상기 매니폴드 홀로부터 연장된 유로들이 분기되어 반응 영역 내 유로들로 연장되는 영역일 수 있다.
또한, 상기 접합되는 부품의 표면에 각각 정해진 폭을 가지면서 길게 막대 형상으로 형성되어 서로 나란하게 배치되는 복수 개의 고분자막들이 형성될 수 있다.
또한, 상기 접합되는 부품의 표면에 정해진 크기와 면적을 가지는 도트(dot) 형상의 고분자막들이 정해진 간격을 두고 배열되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 고분자막은 나피온(Nafion), 아시플렉스(Aciplex), 플레미온(Flemion), 및 아퀴비온(Aquivion) 중에 선택된 하나의 고분자막일 수 있다.
또한, 상기 고분자막은 전도성 고분자인 폴리아닐린(PANI)으로 이루어진 고분자막일 수 있다.
이로써, 본 발명에 따른 연료전지에서는 운전 중 기체확산층의 습도 증가시에 별도의 제어 조건 변경 없이도 내부 온도를 상승시켜 응축수를 효과적으로 제거할 수 있고, 연료전지의 저온 운전시 플러딩 방지 및 성능 향상이 가능해진다.
또한, 기체확산층의 습도가 낮을 경우에는 고분자막이 수축되면서 계면 접촉저항 및 온도가 정상상태로 회복될 수 있으므로 연료전지가 건조한 상태가 되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지에서 접촉저항 가변수단을 가지는 셀을 도시한 단면도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 적용 가능한 고분자막의 여러 형태를 예시한 도면이다.
도 3은 나피온의 습도에 따른 팽윤 및 수축 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지에서 고분자막이 형성될 수 있는 영역의 예를 보여주는 도면이다.
도 5는 연료전지에서 기체확산층과 분리판 사이의 접촉압력과 접촉저항의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6과 도 7은 온도에 따른 포화수증기압과 상대습도를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 연료전지에서 유체가 흐르는 방향을 기준으로 분리판에서 고분자막의 바람직한 형성 위치를 예시한 도면이다.
도 9와 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지를 도시한 것으로, 고분자막의 위치와 형상을 달리한 실시예를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 스택 건조 현상의 발생이나 막전극접합체에서의 핫 스팟 등 발생 없이 셀 내에 존재하는 응축수, 특히 기체확산층 내에 존재하는 응축수가 효과적으로 제거될 수 있는 연료전지를 제공하고자 하는 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 연료전지의 셀을 구성하는 부품(즉 연료전지 스택의 부품)의 발열 및 온도 상승, 특히 기체확산층의 발열 및 온도 상승을 유도하여 응축수를 제거하는 방법을 이용한다.
또한, 본 발명에서는 다량의 응축수가 존재할 수 있는 기체확산층의 발열 및 온도 상승을 유도하기 위해 기체확산층(GDL)과 분리판(BP) 사이의 계면 접촉저항을 증가시키는 방법을 이용한다.
특히, 본 발명에 따른 연료전지는 기체확산층에서 습도가 높아질 경우 기체확산층과 분리판 사이의 전기적 접촉저항을 증가시킬 수 있는 접촉저항 가변수단을 구비한다.
즉, 본 발명에 따른 연료전지는 기체확산층의 습도 상태에 연동하여 기체확산층과 분리판 사이의 전기적 접촉저항을 조절 및 변화시키는 접촉저항 가변수단을 셀 내에 구비한 점에 특징이 있는 것이다.
이와 같이 기체확산층에서의 습도에 연동하여 연료전지의 셀 내에 구비되는 접촉저항 가변수단이 기체확산층과 분리판 사이의 접촉저항을 조절 및 제어하도록 함에 있어서, 기체확산층의 습도가 높아질수록 접촉저항 가변수단은 셀 부품 사이의 접촉저항, 즉 기체확산층과 분리판 사이의 접촉저항을 증가시키도록 구성된다.
반면, 기체확산층에서의 습도가 낮아질수록 접촉저항 가변수단은 기체확산층과 분리판 사이의 접촉저항을 감소시키도록 구성된다.
본 발명에서 접촉저항은 연료전지의 셀을 구성하는 부품들 중 전기 도체인 부품들 사이의 계면에서 나타나는 전기적 저항을 의미한다.
예를 들면, 기체확산층과 분리판이 접합 및 접촉되어 있을 때, 그리고 기체확산층과 분리판의 적어도 일부 표면이 후술하는 고분자막을 사이에 두고 접합 및 적층되어 있을 때, 상기 기체확산층과 분리판 사이의 계면에서 나타나는 전기적 저항을 의미한다.
결국, 기체확산층에서의 습도가 높아져 상기 접촉저항 가변수단에 의해 기체확산층과 분리판 사이의 계면 접촉저항이 증가하면, 연료전지의 발전시 기체확산층과 분리판 사이의 계면에서 접촉저항 증가로 인한 발열 현상이 나타나고, 이는 곧 상기 계면과 기체확산층에서의 온도 상승 및 습도 감소로 이어진다.
이후 기체확산층에서의 습도가 다시 점차 낮아져 상기 접촉저항 가변수단에 의해 기체확산층과 분리판 사이의 계면 접촉저항이 감소하면, 상기의 발열 현상은 사라지고, 이후 상기 계면과 기체확산층에서의 온도는 하강하게 된다.
이로써, 본 발명의 연료전지에서는 기체확산층에서의 습도가 높아질 경우 계면 접촉저항의 증가, 기체확산층에서의 온도 상승, 기체확산층에서의 응축수 제거 및 습도 감소의 현상이 나타나고, 이후 기체확산층에서의 습도가 다시 낮아질 경우 계면 접촉저항이 감소하면서 기체확산층에서의 온도 하강 및 정상 온도 회복의 현상이 나타난다.
이와 같이 본 발명의 연료전지에서는 기체확산층에서의 습도에 연동하여 계면접촉 저항이 가변되도록 함으로써 운전 중 실제 기체확산층에서의 습도 상태 및 응축수 상태에 따라 적정 범위 내에서의 온도 조절 및 발열 제어가 가능해진다.
따라서, 본 발명에서는 등록특허 제10-1655480호에 개시된 구성, 즉 전위차에 의해 발열하는 전도성 고분자층을 기체확산층에 코팅한 구성이 가지는 문제점이 나타나지 않는다.
즉, 본 발명에서는, 기체확산층의 실제 습도 및 응축수 상태에 따라 온도 조절 및 발열 제어가 이루어지고, 특히 습도가 크게 높지 않은 적정 수준이라면 온도가 상승하지 않으므로, 기체확산층의 실제 습도 및 응축수 상태에 관계없이 연료전지의 발전시 항상 전위차로 인해 전도성 고분자층이 발열하고 그로 인해 스택이 오히려 건조해지던 문제점, 그리고 전도성 고분자층이 접촉하는 막전극접합체의 표면에서 발열로 인한 핫 스팟(hot spot)이 발생하던 문제점 등이 나타나지 않는 것이다.
한편, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지에서 기체확산층(13)의 습도 상태에 따라 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b) 사이의 계면 접촉저항을 가변시키는 접촉저항 가변수단을 가지는 셀의 단면도이다.
도 1은 연료전지의 셀에서 기체확산층(GDL)(13)과 분리판(BP)(15a,15b) 사이에 고분자막(21)을 적층 개재하여서 구성된 접촉저항 가변수단을 예시하고 있다.
도 1을 참조하면, 고분자 전해질막의 양쪽 표면에 캐소드와 애노드가 형성된 구성의 막전극접합체(11)(MEA)가 셀에서 중심에 위치하고, 이러한 막전극접합체(11)의 캐소드와 애노드의 각 전극 표면에 기체확산층(13)이 적층된다.
또한, 기체확산층(13)의 바깥쪽 표면에는 캐소드 분리판(15a)과 애노드 분리판(15b)이 적층 및 접합되고, 각 분리판(15a,15b)에서 기체확산층(13)에 접합되는 부분이 랜드부(17)가 된다.
또한, 이웃한 랜드부(17)와 랜드부 사이에서 분리판(15a,15b)과 기체확산층(13)이 형성하는 공간이, 반응 가스, 즉 연료 가스인 수소와 산화제 가스인 공기(또는 산소)가 각각 흐르게 되는 유로인 가스 채널(캐소드 채널, 애노드 채널)(19a,19b)이 된다.
또한, 캐소드 분리판(15a)과 이에 접합된 애노드 분리판(15b) 사이의 밀폐된 공간이 냉각수가 흐르게 되는 유로인 냉각수 채널(19c)이 된다.
이러한 구성에서 접촉저항 가변수단은 단위 셀 내에서 예시한 바와 같이 서로 접합 및 적층되는 셀의 두 부품 사이, 예컨대 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b) 사이에 팽윤(膨潤) 특성을 가지는 고분자막(21)을 적층 개재하여서 구성될 수 있다.
즉, 연료전지의 셀 내에서 접합 및 적층되는 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b)의 랜드부(17) 사이에 팽윤 특성의 고분자막(21)을 적층 개재하여서 상기한 접촉저항 가변수단을 구성할 수 있는 것이다.
여기서, 팽윤은 수분에 의해 팽창하는 현상, 즉 수분을 내포하여 부풀어오르는 현상을 의미한다.
이와 같이 본 발명에 따른 연료전지의 접촉저항 가변수단은 팽윤 특성의 고분자막(21)을 포함하고, 팽윤 특성에 따라 고분자막(21)은 수분함유량이 증가할수록 더 큰 부피가 되도록 팽창하는 반면, 수분함유량이 감소할수록 더 작은 부피가 되도록 수축한다.
결국, 수분함유량에 따라 팽창 내지 수축 상태가 변하는 고분자막(21)을 이용함으로써, 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b) 사이의 계면 접촉저항이 상기 고분자막(21)의 팽창 내지 수축된 상태 및 그 정도에 따라 가변될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 연료전지에서 상기 고분자막(21)은, 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b)의 접합면 전체에 적층 개재되는 것이 아닌, 상기 접합면 중 일부 표면에만 형성될 수 있다.
즉, 셀의 두 부품 간에, 예를 들어 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b)의 전체 표면 중 일부 표면의 사이에만 적층 개재될 수 있는 것이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 적용 가능한 여러 형태의 고분자막(21)을 예시한 도면이다.
예시한 바와 같이, 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b)이 전기적으로 연결되어 있어야 하고 양측 간에 직접 접촉된 상태로 전자 이동이 이루어질 수 있어야 하므로, 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b)의 계면(서로 접합되는 기체확산층과 분리판의 표면) 전체에 상기 고분자막(21)이 적층되는 것은 아니며, 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b)의 계면 중 적어도 일부 표면에만 고분자막(21)이 적층 형성된다.
이때, 도 2a와 도 2b에 나타낸 바와 같이, 표면에서 고분자막(21)은 정해진 폭을 가지면서 한 방향으로 길게 형성된 막대 형상으로 형성될 수 있다.
도 2a는, 접촉저항 가변수단으로서, 각각 분리판(15a,15b)의 랜드부(17)의 길이방향을 따라 길게 배치되는 막대 형상을 가지는 동시에 서로 일정 간격을 두고 나란히 배치되는 복수 개의 고분자막(21)들을 형성한 예를 나타낸다.
도 2b는, 접촉저항 가변수단으로서, 각각 랜드부(17)의 길이방향에 대해 그 횡방향으로 길게, 즉 랜드부(17)를 횡으로 가로지르는 방향으로 길게 배치되는 막대 형상을 가지면서 서로 일정 간격을 두고 나란히 배치되는 복수 개의 고분자막(21)들을 형성한 예를 나타낸다.
도 2c는, 접촉저항 가변수단으로서, 정해진 크기와 면적을 가지는 도트(dot) 형상의 고분자막(21)들이 랜드부(17)에 정해진 간격을 두고 배열되도록 적층 형성된 예를 나타낸다.
더욱 상세하게는, 도 2c에는 도트 형상의 고분자막(21)들이 종방향과 횡방향으로 일정 간격을 두고 배열되어 격자 배열 형태를 이루고 있는 실시예가 도시되어 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 연료전지에서 셀을 구성하는 부품 사이의 계면에 다양한 형태의 고분자막(21)이 형성될 수 있는데, 이러한 고분자막(21)은 응축수가 많은 캐소드 측에서 더욱 큰 효과를 얻을 수 있고, 캐소드 측 분리판(15a)의 랜드부(17)에 고분자막(21)을 형성할 경우 많은 양의 응축수를 제거할 수 있다.
그리고, 본 발명의 연료전지에서 셀 내의 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b) 사이에 고분자막(21)들이 적층 개재됨에 있어서, 상기 고분자막(21)들의 두께는 크지 않으므로, 고분자막(21)이 형성되어 있지 않은 기체확산층(13)의 표면과 분리판 랜드부(17)의 표면이 그 주변에 위치한 고분자막(21)에 의해 서로 미접촉 상태, 즉 완전히 분리된 상태로 있는 것은 아니다.
즉, 일부 표면에 고분자막(21)들이 형성되어 있다 하더라도 고분자막(21)들이 형성되어 있지 않은 나머지 표면에서 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b)의 랜드부(17)는 어느 정도는 접촉된 상태를 유지한다.
결국, 고분자막(21)을 포함하는 접촉저항 가변수단에 의하면, 연료전지의 셀 내에서 기체확산층(13)에서의 습도가 높아질 때, 고분자막(21)에 함유된 수분의 양이 증가하게 되고, 수분함유량이 증가할수록 고분자막(21)은 점차 더 큰 부피로 팽윤하게 된다.
이와 같이 고분자막(21)이 팽윤할 경우, 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b) 사이의 계면 접촉면적은 감소할 수 있고, 이에 계면 접촉저항은 증가하며, 연료전지의 발전시 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b)의 랜드부(17) 간 접촉 표면에서 접촉저항이 증가함에 따라 온도는 상승하게 된다.
이렇게 기체확산층(13)의 온도가 상승하면 기체확산층(13)에서의 습도는 감소하게 되고, 이에 기체확산층(13)으로부터 응축수를 제거하는 것이 가능해진다.
반면, 기체확산층(13)에서의 습도가 낮아지면, 고분자막(21)에 함유된 수분의 양 또한 점차 감소하게 되고, 수분함유량이 감소할수록 고분자막(21)은 점차 더 작은 부피로 수축하게 된다.
이와 같이 고분자막(21)이 수축할 경우, 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b) 사이의 계면 접촉면적은 증가할 수 있고, 이에 계면 접촉저항은 감소하며, 연료전지의 발전시 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b)의 랜드부(17) 간 접촉 표면에서 접촉저항이 감소함에 따라 온도는 감소하게 된다.
이렇게 기체확산층(13)의 온도가 하강하면 기체확산층(13)에서의 습도는 다시 증가하게 되는데, 결국 수분함유량 및 습도에 따라 고분자막(21)이 팽윤되거나 수축되면서 기체확산층(13)의 온도와 습도가 최대한 정상 범위를 유지하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지에서 고분자막(21)으로는 수분을 함유함에 따라 팽윤하는 불소계 고분자막(21)인 나피온(Nafion), 아시플렉스(Aciplex), 플레미온(Flemion), 아퀴비온(Aquivion) 등에서 선택된 하나가 사용될 수 있다.
도 3은 나피온의 습도에 따른 팽윤 및 수축 특성을 나타내는 그래프로서, 습도가 높아질수록, 즉 수분함유량이 많아질수록 나피온 고분자막이 점차 크게 팽윤됨을 보여주고 있다.
연료전지 스택이 체결된 상태에서 스택 내 부품에 작용하는 압력은 일반적으로 0.5 ~ 3.0 MPa 수준인 것으로 알려져 있으며, 수화가 된 고분자막의 팽윤 압력은 나피온을 기준으로 대략 30 ~ 100 MPa 수준이다[참고문헌: Budinski, M. K. et al., Tsinghua Sci. Technol., 2010, 15 (4), 385-390; Escoubes, M. et al., Thermochim. Acta 1984, 82 (1), 149-160].
즉, 스택의 체결압보다 고분자막(21)의 팽윤압이 훨씬 높기 때문에 스택의 체결압이 부여된 상태에서도 스택 내에 부착된 접촉저항 가변수단의 고분자막(21)은 수분이 증가함에 따라 팽윤되는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지에서 상기 고분자막(21)으로 팽윤 특성을 가지는 공지의 전도성 고분자막을 사용하는 것이 가능하다.
대표적인 전도성 고분자로는 폴리아닐린(PANI)을 들 수 있으며, 폴리아닐린은 친수성이면서 수분에 의한 팽윤 특성을 가지는 고분자이다[참고문헌: Zhang L. et al., Synthetic Metals. 2005, 151, 1-5; Yin H. X. et al., Chin. Phys. B. 2010, 19 (8), 088105].
한편, 본 발명에 따른 연료전지에서와 같이 스택의 부품 사이에 고분자막(21)을 적층 개재할 경우 고분자막을 적층하지 않은 종래의 경우와 비교하여 계면에서 추가적이고 상시적인 접촉저항이 더 발생할 수 있다.
이와 같이 추가로 발생하는 접촉저항을 줄여줄 필요가 있으며, 따라서 연료전지 내에서 정해진 영역에 한하여 고분자막을 형성함이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지에서 고분자막(21)이 형성될 수 있는 영역의 예를 나타내는 도면으로, 도시된 바와 같이 반응부(16a)에 인접한 미반응부(16b) 영역에 고분자막(21)을 형성할 수 있다.
여기서, 반응부(16a)는 캐소드 및 애노드의 전극이 형성되어 있으면서 실제 연료전지 반응이 일어나는 영역, 즉 막전극접합체에 연료 가스와 산화제 가스가 공급되어 전기화학 반응이 일어나는 반응 영역(active area)을 의미하고, 일반적으로는 도 4에 예시된 바와 같이 분리판(15a,15b)에서 중앙의 사각 영역에 해당한다.
이때, 미반응부(16b) 영역은 연료전지 반응이 일어나지 않는 영역으로서, 상기 반응부(16a) 바깥쪽의 외곽 영역이 되고, 분리판(15a,15b)에서 냉각수와 반응 가스를 공급하기 위한 매니폴드 홀(18)들이 형성된 영역과 상기 반응부(16a) 사이의 영역이 될 수 있다.
통상의 분리판(15a,15b)에는 반응 가스와 냉각수가 흐르는 채널(캐소드 채널, 애노드 채널, 냉각수 채널)을 형성하게 되는 유로 홈이 형성되어 있는데, 상기 미반응부(16b) 영역에서는 상기 매니폴드 홀(18)로부터 이어지는 상기 유로(채널)들이 분기된 구조로 형성되고, 미반응부(16b) 영역에서 분기된 유로 홈들은 반응부(16a) 내 유로로 연결 및 연장된 구조로 되어 있다.
이러한 분리판(15a,15b)의 미반응부(16b) 영역에서 분리판 랜드부와 기체확산층(13) 사이에 고분자막(21)이 적층 개재되도록 형성될 수 있으며, 예시된 바와 같이 미반응부(16b) 영역에서도 반응부(16a)와 인접한 영역의 분리판 랜드부에 고분자막이 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 고분자막이 형성되는 영역이 분리판(15a,15b)의 양단부에 위치한 영역임을 알 수 있고, 또한 중앙의 사각 영역에 해당하는 반응부(16a)의 외곽 영역임을 알 수 있다.
또한, 고분자막(21)이 형성되는 영역이 매니폴드 홀(18)이 형성된 영역과 중앙의 사각 영역인 반응부(16a) 영역 사이에 위치한 미반응부(16b) 영역임을 알 수 있으며, 또한 미반응부(16b) 영역 내에서도 반응부(16a)에 인접한 영역임을 알 수 있다.
상기 미반응부(16b) 영역에서는 스택 운전 중 전자의 이동이 거의 없기 때문에 고분자막(21)을 설치하여도 추가적인 상시 저항의 증가량이 극미하다.
따라서, 고분자막(21)을 미반응부(16b) 영역에 형성하는 것이 바람직하며, 미반응부(16b) 영역 내에서도 반응부(16a)와 인접한 영역에 고분자막(21)을 형성함으로써 고분자막(21)의 팽윤시 인접한 반응부(16a) 내 기체확산층(13)의 형상 변형을 유도하여 계면 접촉저항을 증가시킨다.
이하의 설명에서는 기체확산층의 응축수가 제거되는 작동 메커니즘에 대해 좀더 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 기체확산층(13)에서의 습도가 높아지면 고분자막(21)이 팽윤되면서 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b) 사이의 계면 접촉면적이 감소하고, 접촉면적 감소시 계면 접촉저항은 증가한다.
또한, 상기 접촉저항이 증가함에 따라 발열량은 비례하여 증가하게 된다.
도 5는 기체확산층과 분리판 사이의 접촉압력(contact pressure)과 접촉저항(contact resistance)의 관계를 나타내는 도면으로, 여기서 접촉압력은 접촉면적(contact area)으로 대체될 수 있다.
도시된 바와 같이, 접촉압력과 접촉면적이 증가할수록 접촉저항은 감소하고, 반대로 접촉압력과 접촉면적이 감소할수록 접촉저항은 증가한다.
그리고, 계면 접촉저항에 의한 발열량은 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
Qcont = Rcont × i2
여기서, Qcont는 발열량[W/㎠]을 나타내고, Rcont는 접촉저항[mΩ㎠] 을 나타내며, i는 전류밀도[A/㎠]를 나타낸다.
상기 식에 따르면 접촉저항과 발열량은 비례 관계에 있음을 알 수 있고, 식에 따른 발열량 계산의 예시는 아래와 같다.
- 접촉저항 10mΩ㎠(기준), 전류밀도 1.0A/㎠인 경우, 발열량 10W/㎠(기준)
- 접촉저항 15mΩ㎠(기준 대비 50% 증가), 전류밀도 1.0A/㎠인 경우, 발열량 15W/㎠(기준 대비 50% 증가)
도 6과 도 7은 온도에 따른 포화수증기압과 상대습도를 나타내는 도면으로, 기체확산층의 온도 증가시 포화수증기압은 지수 형태로 증가하고, 습도는 지수 형태로 감소함을 보여주고 있다.
예를 들면, 온도 65℃, 습도 100%(기준)일 때 접촉저항 및 발열량의 증가로 인해 기체확산층의 온도가 2℃ 증가하면, 즉 온도가 67℃가 되면, 습도는 91%로 감소하게 된다(기준 대비 9% 감소).
한편, 도 8은 본 발명에 따른 연료전지에서 유체가 흐르는 방향을 기준으로 분리판(15a,15b)에서 고분자막(21)의 바람직한 형성 위치를 예시한 도면이며, 분리판(15a,15b)의 유로(가스 채널)를 따라 취한 단면도이다.
예시된 바와 같이, 도 2c에 예시된 도트 형상의 고분자막(21)들, 즉 격자형 고분자막 구조와 같이, 분리판(15a,15b)에서 랜드부의 길이방향을 기준으로 정해진 길이방향 구간에만 선택적으로 고분자막(21)을 형성할 수 있는 실시예인 경우, 분리판(15a,15b)의 이웃한 두 랜드부 사이의 유로 내에 흐르는 반응 가스의 흐름 방향을 기준으로 하류 측이 되는 분리판(15a,15b)의 유로 출구부 측 랜드부(기체확산층과 접합하는 분리판 표면)에 고분자막(21)을 형성할 수 있다.
분리판(15a,15b)에서 이웃한 두 랜드부 사이의 유로 내에 흐르는 반응 가스의 흐름 방향을 기준으로 상류 측이 되는 분리판의 유로 입구부 측에 비해 상기 유로 출구부 측에서 더 많은 응축수가 생성되고, 따라서 응축수가 상대적으로 많은 유로 출구부 측에 고분자막(21)을 설치할 경우 응축수 제거 효과를 증대시킬 수 있다.
반면, 상대적으로 응축수가 적은 유로 입구부 측에서는 고분자막 구조의 적용을 배제하여 셀 전자 이동의 저항 증가량을 최소화하는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지를 도시한 것으로, 연료전지의 셀을 구성하는 부품 중 기체확산층(GDL)(13)과 막전극접합체(MEA)(11) 사이의 접촉저항을 가변시킬 수 있는 접촉저항 가변수단의 예를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 기체확산층(13)과 분리판(15a,15b)의 랜드부(17)가 아닌, 기체확산층(13)과 막전극접합체(11) 사이에 팽윤 특성을 가지는 고분자막(21)을 적층 개재하여서 양측 사이의 계면 접촉저항을 가변시킬 수 접촉저항 가변수단을 구성할 수도 있다.
도 9의 실시예에서도 기체확산층(13)과 막전극접합체(11) 사이의 계면에서 적어도 일부 표면에만 고분자막(21)이 적층 형성 및 개재될 수 있으며, 이때 고분자막(21)의 형태는 도 2a나 도 2b, 또는 도 2c와 같은 형태가 될 수 있다.
또한, 도 9의 실시예에서 고분자막(21)은 막전극접합체(11)의 표면에 형성될 수 있는데, 막전극접합체(11)에서 전극인 캐소드의 표면 또는 애노드의 표면에 형성될 수 있고, 또는 캐소드의 표면과 애노드의 표면 모두에 형성될 수도 있으며, 이렇게 고분자막(21)이 형성된 막전극접합체(11)의 표면 위로 기체확산층(13)이 적층 및 접합된다.
도 9의 실시예, 즉 상기와 같이 기체확산층(13)과 막전극접합체(11) 사이에 고분자막(21)을 형성한 구성의 경우, 응축수 배출 성능이 낮은 특성의 전극 구조에 적용하게 되면 응축수 제거 효과를 증대시킬 수 있다.
다음으로, 도 10은 또 다른 실시예에 따른 연료전지를 도시한 것으로, 연료전지의 셀을 구성하는 부품 중 기체확산층(GDL)(13)과 분리판(BP)(15a,15b) 사이의 접촉저항을 가변시킬 수 있는 접촉저항 가변수단의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 10의 실시예에서는 분리판(15a,15b)의 랜드부(17)에 고분자막(21)을 적층 형성하는 점은 차이가 없다.
또한, 도 10의 실시예에서는 도 2b에서와 같이 랜드부(17)의 길이방향에 대해 그 횡방향으로 길게, 즉 랜드부(17)를 횡으로 가로지르는 방향으로 길게 배치되는 막대 형상의 고분자막(21)이 형성될 수 있고, 이때 막대 형상의 고분자막(21) 복수 개가 서로 일정 간격을 두고 나란히 배치되도록 형성될 수 있다.
이에 더하여, 도 10의 실시예에서는 분리판(15a,15b)의 랜드부(17)에 형성된 각 고분자막(21)들이 반응 가스가 흐르도록 된 분리판 유로(가스 채널(19a,19b))의 내측면(분리판 유로 내벽)까지 추가로 연장된 구조로 형성되고, 이에 고분자막(21)은 도 10에 나타낸 바와 같이 전체적으로 'ㄷ' 자 형상을 가지게 된다.
즉, 고분자막(21)의 양단부가 애노드 분리판(15b)의 가스 채널(19b), 즉 연료 가스(수소 가스)를 이동시키기 위한 애노드 채널(19b)을 형성하는 분리판(15b)의 유로 홈 내측면에 적층되도록 형성되어, 애노드 분리판(15b)의 랜드부(17)에서 유로 홈 내측면까지 이어지는 'ㄷ' 자 형상의 고분자막(21)이 형성될 수 있다.
마찬가지로, 캐소드 분리판(15a)의 가스 채널(19a), 즉 산화제 가스(공기)를 이동시키기 위한 캐소드 채널을 형성하는 분리판(15a)의 유로 홈 내측면에 고분자막(21)의 양단부가 적층되도록 형성되어, 캐소드 분리판(15a)의 랜드부(17)에서 유로 홈 내측면까지 이어지는 'ㄷ' 자 형상의 고분자막(21)이 형성될 수 있다.
도 10의 실시예에서는 고분자막(21)이 분리판(15a)의 유로 내에 존재하는 응축수에 접하도록 되어 있으므로 상기 유로 내의 응축수를 상기 고분자막이 흡수하여 팽윤될 수 있다.
이에 따라 도 10의 실시예는 분리판(15a,15b)의 유로와 기체확산층(13)에 응축수가 많은 특성을 갖는 연료전지에 적용할 경우, 고분자막(21)이 분리판(15a,15b)의 유로 내에 존재하는 응축수까지 흡수하여 팽윤되면서 응축수 제거 작동 메커니즘이 작동하게 되므로, 응축수를 제거하는데 있어서 더 우수한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지에서는 운전 중 기체확산층의 습도 증가시에 별도의 제어 조건 변경 없이도 내부 온도를 상승시켜 응축수를 효과적으로 제거할 수 있고, 연료전지의 저온 운전시 플러딩 방지 및 성능 향상이 가능해진다.
또한, 기체확산층의 습도가 낮을 경우에는 고분자막이 수축되면서 계면 접촉저항 및 온도가 정상상태로 회복될 수 있으므로 연료전지가 건조한 상태가 되는 것을 방지할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
11 : 막전극접합체
13 : 기체확산층
15a, 15b : 분리판
16a : 반응부
16b : 미반응부
17 : 랜드부
18: 매니폴드 홀
19a, 19b : 가스 채널
19c : 냉각수 채널
21 : 고분자막

Claims (13)

  1. 셀을 구성하는 부품들로서, 고분자 전해질막에 전극인 캐소드와 애노드가 형성된 막전극접합체, 상기 막전극접합체에 적층된 기체확산층, 및 상기 기체확산층에 적층된 분리판을 포함하는 연료전지에 있어서,
    상기 셀의 부품들 중 서로 접합되는 두 부품 사이에 구비되어 접합된 부품의 습도 상태에 따라 상기 두 부품의 계면에서의 전기적 접촉저항을 변화시키는 접촉저항 가변수단을 더 포함하고,
    상기 접촉저항 가변수단은 상기 접합된 부품의 습도가 증가할수록 상기 두 부품의 계면에서의 전기적 접촉저항을 증가시키도록 된 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉저항 가변수단은 상기 두 부품 사이에 적층 개재되는 팽윤 특성의 고분자막을 포함하고, 상기 고분자막은 상기 두 부품의 전체 표면 중 일부 표면 사이에만 적층 개재되는 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고분자막은
    수분함유량이 증가할수록 더 큰 부피가 되도록 팽창하고,
    수분함유량이 감소할수록 더 작은 부피가 되도록 수축하는 고분자막인 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 고분자막은 기체확산층과 막전극접합체 사이에 적층 개재되는 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 고분자막은 기체확산층과 분리판의 랜드부 사이에 적층 개재되는 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리판의 랜드부 표면에 각각 정해진 폭을 가지면서 길게 막대 형상으로 형성되어 나란하게 배치되는 복수 개의 고분자막들이 형성되고,
    상기 고분자막들이 분리판의 랜드부를 랜드부 길이방향에 대해 횡으로 가로지르는 방향으로 길게 형성되며,
    상기 각 고분자막의 양단부가 분리판의 가스 채널을 형성하는 유로 홈 내측면에도 적층되도록 연장 형성되어, 상기 각 고분자막이 분리판의 랜드부에서 유로 홈 내측면까지 이어지는 'ㄷ' 자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 고분자막이 분리판의 랜드부에 랜드부 길이방향의 정해진 구간에 형성되고,
    상기 정해진 구간은 분리판의 이웃한 두 랜드부 사이의 유로 내에 흐르는 반응 가스의 흐름 방향을 기준으로 하류 측이 되는 분리판의 유로 출구부 측에 해당하는 정해진 구간인 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 고분자막은 셀에서 연료 가스와 산화제 가스가 막전극접합체에 공급되어 연료전지 반응이 일어나는 반응 영역의 바깥쪽 외곽 영역인 미반응 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 미반응 영역은
    분리판에서 중앙의 사각 영역에 해당하는 상기 반응 영역과 분리판에서 냉각수와 반응 가스를 공급하기 위한 매니폴드 홀이 형성된 영역 사이의 영역으로서,
    분리판에서 상기 매니폴드 홀로부터 연장된 유로들이 분기되어 반응 영역 내 유로들로 연장되는 영역인 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 접합되는 부품의 표면에 각각 정해진 폭을 가지면서 길게 막대 형상으로 형성되어 서로 나란하게 배치되는 복수 개의 고분자막들이 형성되는 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 접합되는 부품의 표면에 정해진 크기와 면적을 가지는 도트(dot) 형상의 고분자막들이 정해진 간격을 두고 배열되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 고분자막은 나피온(Nafion), 아시플렉스(Aciplex), 플레미온(Flemion), 및 아퀴비온(Aquivion) 중에 선택된 하나의 고분자막인 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
  13. 청구항 2에 있어서,
    상기 고분자막은 전도성 고분자인 폴리아닐린(PANI)으로 이루어진 고분자막인 것을 특징으로 하는 응축수 제거가 가능한 연료전지.
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