KR20040005139A - 연료 전지 스택용 분리판 - Google Patents

Abstract

연료 전지 스택용 분리판이 개시된다. 개시된 연료 전지 스택용 분리판은, 연료 전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수가 구비되는 냉각수유로와, 공기와 연료인 수소가 공급되기 위해 가스유로가 각각 형성되도록 적어도 하나 이상 적층되어 이루어지는 연료 전지 스택용 분리판에 있어서, 상기 냉각수유로 내주면에는 절연성 물질이 코팅된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 스택용 분리판에 절연성이 크고 열전도성이 큰 물질을 코팅함으로써 연료 전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수의 전기 전도도와는 무관하게 된다. 이에 따라 연료 전지 시스템 내에 있는 이온제거기를 제거할 수 있어 스택 냉각 라인의 구성이 간단하게 되며 연료 전지 차량의 공간적인 측면에서 유리한 이점이 있다.

Description

연료 전지 스택용 분리판{BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료 전지 스택용 분리판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분리판의 냉각 유로의 전기 절연을 통하여 냉각수가 전기 전도도를 갖더라도 스택에서단락되지 않도록 하여 다양한 냉각수를 사용할 수 있도록 개선된 연료 전지 스택용 분리판에 관한 것이다.

전기자동차 또는 기타 다른 응용장치에서 연료 전지는 이들에게 전력을 공급하는데 사용된다. 이러한 연료 전지는 막을 중심으로 양극(anode)과 음극 (cathode)을 갖는 MEA(membrane-electrolyte-assembly)로 구성된 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료 전지이다.

이 연료 전지에서 전기에너지 생산은 수소와 산소의 반응에 의해서 생산되고 또한 열을 발생시킨다. 연료인 수소는 음극에 있는 전극 촉매와 산화반응에 의해 수소 이온(H+)과 전자로 분리된다. 즉, H2 → 2H+ ＋ 2e-의 반응식으로 나타낼 수 있다.

그리고 수소 이온은 이온 교환막을 통해서 음극으로 움직이고, 전자는 도선을 통해 음극으로 이동하게 된다. 음극에서 전극 촉매에 의해서 수소 이온과 산소가 반응하여 물을 생성하게 된다.

즉, 1/2O2 ＋ 2H+ ＋ 2e- → H2O

이러한 반응을 하는 셀(Cell)을 쌓아서 원하는 전력을 생산하게 된다.

그리고 연료 전지에서 전기를 생산하기 위해서는 상기한 MEA라는 이온 교환막을 통해서 수소 이온이 움직이고, 전자는 분리판을 통해서 움직이게 된다. 이렇게 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해서 전기와 열이 발생된다.

연료 전지에서는 스택(stack)에서 발생하는 열을 냉각하기 위해서 분리판을 이용하여 냉각한다. 이 분리판은 전기 전도도가 커야 전자를 잘 전도하게 된다.전기 전도도가 큰 분리판 사용으로 인해서 냉각수는 전기 전도도가 낮은 증류수를 사용하여야만 한다.

하지만, 스택을 냉각하는 시스템(배관이나, 분리판 등)의 부식(corrosion)이나 용출(erosion) 등에 의해서 냉각수의 전기 전도도가 커지면 냉각수로 전기가 흐르게 되여 스택은 단락(short)되거나, 여기 전류가 냉각수쪽으로 흐르게 된다. 스택에서 단락이나 여기 전류는 안전상 매우 중요한 문제이다.

그러므로 전기 전도도가 낮은 증류수를 사용하여야만 하고, 냉각수 내의 전기 전도성이 커지는 것을 방지하기 위해서는 냉각수 내의 이온 전기전도성 물질을 제거하기 위한 이온제거기(demineralizer)를 장착하여야 한다.

이 이온제거기는 차량에서 일정 공간을 차지하고 있고 이온제거 능력이 떨어져서 냉각수 내의 전기 전도도가 증가하게 되면 이온제거 필터를 교환해야만 한다.

또한 증류수의 사용으로 인해서 어는점(0℃) 이하에서는 증류수가 얼기 때문에 저온 시동성에 대한 문제점을 갖고 있다. 증류수가 배관 내에 얼면 스택에서 열이 발생되더라도 배관 내에 냉각수가 얼어 있어서 스택을 냉각하지 못하기 때문에 저온에서는 스택이 제대로 작동하기 힘들어진다.

그리고 증류수 대신 영하이하에서도 얼지 않는 부동액을 사용하기 위한 냉각수 개발에 많은 노력을 하고 있다. 하지만 새로운 부동액이 개발되더라도 부식이나 용출 등에 의해서 부동액의 전기 전도도가 증가하게 되므로 냉각수 내의 전기전도성 물질을 제거하기 위한 이온제거 필터는 계속 존재해야만 한다.

상기한 분리판은 양극에서 발생되는 전자를 음극으로 전도하기 위해서는 전기 전도도가 커야 하며 또한 발생되는 열을 냉각수쪽으로 전달하기 위해서는 열전도성도 커야 한다. 이러한 분리판의 역할은 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 분리판은 전자를 이동시키는 역할을 한다. 수소가 양극에서 전극 촉매에 의해서 수소 이온과 전자로 분리된다. 분리된 수소 이온은 수화(hydration)되어 물과 함께 MEA(11)를 통해서 음극으로 이동되어 산소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 이때 전자도 분리판을 통해서 음극으로 이동하여 반응에 참여하게 된다.

또한 분리판은 열을 냉각수에 전달하여 스택을 냉각하는 역할을 한다. 연료 전지에서 수소와 산소가 반응하면서 전기를 발생시키지만 또한 열도 발생시킨다. 이렇게 발생된 열은 분리판을 통해서 냉각수유로(12)로 전달되어 냉각수에 의해서 스택이 냉각된다.

그리고 분리판은 공기와 수소를 공급하는 역할과 생성된 물을 제거하는 역할을 한다. 연료 전지에서 연료인 공기와 수소는 분리판의 유로(channel)(13)를 통해서 가스 확산층(14)을 통과하면서 확산되어서 전극촉매까지 공급된다. 공급된 연료가 반응하여 물이 생성되어지는데 생성된 물은 가스 확산층(14)을 나와서 분리판 유로를 통해 스택 밖으로 배출된다.

한편, 연료인 공기와 수소를 공급하는 분리판의 유로에 대해서는 유로 형태 등 많은 연구가 되어있고 현재 진행 중이다. 또한 음극에서는 수소가 촉매와 반응하여 수소이온이 발생하게 되는데 수소 이온에 의해서 액상 상태가 산성이기 때문에 분리판을 부식시키게 되는데 이것을 방지하기 위한 공지기술도 있다.

하지만, 분리판의 역할 중의 하나인 스택 냉각을 위한 냉각수용 유로에 대한 공지기술은 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 분리판의 냉각 유로의 전기 절연을 통하여 냉각수가 전기 전도도를 갖더라도 스택에서 단락되지 않도록 하여 다양한 냉각수를 사용할 수 있도록 한 연료 전지 스택용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 연료 전지 스택용 분리판의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 분리판의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 4는 종래의 기술이 적용된 연료 전지 스택 냉각 라인을 개략적으로 나타내 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20, 30. 절연성 물질

21, 31. 냉각수유로

22, 32. 가스유로

200, 300. 분리판

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 스택용 분리판은, 연료 전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수가 구비되는 냉각수유로와, 공기와 연료인 수소가 공급되기 위해 가스유로가 각각 형성되도록 적어도 하나 이상 적층되어 이루어지는 연료 전지 스택용 분리판에 있어서, 상기 냉각수유로 내주면에는 절연성 물질이 코팅된 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 분리판의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 여기에서는 일반적인 연료 전지 스택용 분리판의 구성 설명은 생략하고, 본 발명의 특징에 따른 구성만을 설명하기로 한다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 분리판(200)은, 연료 전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수가 구비되는 냉각수유로(21)와, 공기와 연료인 수소가 공급되기 위해 가스유로(22)가 각각 형성되도록 적어도 하나 이상 적층되어 이루어지는 것으로, 상기 냉각수유(21)로 내주면에는 절연성 물질(20)이 코팅 (coating)된다.

상기 절연성 물질(20)과 상기 냉각수유(21)로 내주면 사이에는 소수성 물질이 코팅된다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 분리판(300)의 다른 실시예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수유료(31)가 절연성 물질(30)에 의해 형성된다.

즉, 분리판에 개구를 형성하고, 이 개구에 상기 냉각수유로(31)를 형성하며 절연성 물질(30)을 삽입함으로써 이루어진다.

상기 절연성 물질(20,30)은 소수성 성질을 갖는 고분자 또는 무기화합물중 어느 하나로 이루어진다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 분리판(200,300)의 작용을 설명하면 다음과 같다. 여기에서는 일반적인 연료 전지 스택용 분리판의 작용 설명은 생략하고, 본 발명의 특징에 따른 작용만을 설명하기로 한다.

설명에 앞서, 대부분 분리판으로 사용되는 물질로는 탄소(carbon)나 금속(예컨대, SUS) 등이다. 이 분리판에 전기전도성 탄소 입자(particle)이나 부식에 의한 금속 이온이 존재하게 되어 냉각수의 전기 전도도를 높이게 된다. 냉각수 내의 전기 전도도가 증가하게 되면 전기 전도도가 높은 냉각수가 스택을 냉각하기 위해서 스택 분리판으로 들어가게 된다. 전기 전도도가 높은 냉각수에 의해서 분리판을 통해서 냉각수쪽으로 전류가 흐르게 되어 스택은 단락이 된다.

이러한 스택의 단락을 방지하기 위해서 연료 전지 시스템에서는 냉각수의 전기 전도도를 일정하게 유지한다.

이를 위해 도 4에 도시된 바와 같이, 이온제거기(40)를 장착하여 배관이나 분리판 등의 부식이나 용출 등에 의해서 발생하는 입자 및 이온을 제거한다.

그리고 냉각수의 전기 전도도는 연료 전지 시스템의 작동 여부와 상관없이 계속적으로 조금씩 증가하게 된다. 상기 이온제거기(40)는 대부분 다공성 이온교환 고분자로 구성되어 있다. 이 이온제거기(40)의 다공성 성질에 의해서 냉각수 내의 전기전도성 입자를 필터링(filtering)하면서 제거하고 냉각수 내의 이온은 고분자와 이온교환에 의해서 이온을 제거하게 된다.

상기 이온제거기(40)의 이온교환이나 필터 능력이 떨어지면 냉각수 내의 전기 전도도는 증가한다. 그리고 냉각수 내의 전기 전도도가 일정량 이상 증가하게 되면 이온제거기의 필터를 교환해야만 한다.

이렇게 배관 부식이나 분리판 부식 또는 용출 등에 의해서 냉각수 내의 전기 전도도가 증가하게 되면 문제가 되는 것은 스택(50) 내의 분리판에서 전류가 냉각수쪽으로 흐르게 되어 단락을 발생시키는 것이다.

즉, 스택(50)의 분리판을 냉각수와 절연시키면 냉각수 내의 전기 전도도가 증가하더라도 스택(50)의 분리판과 냉각수가 분리되어 있어 스택(50)은 단락이 되지 않게 된다. 즉, 냉각수의 전기 전도도와 무관하므로 연료 전지 스택 냉각 라인에서 이온제거기(40)를 삭제할 수 있다.

그리고 분리판과 냉각수를 절연시킴으로써 증류수가 아닌 다른 냉각수를 사용할 수 있게 된다. 증류수는 0℃이하가 되면 배관 내에 얼어 스택(40)을 냉각하지 못하게 된다. 이렇게 분리판과 냉각수의 절연을 통해서 연료 전지의 저온 시동성을 해결할 수 있다.

이와 같이 본 발명은, 분리판(200,300)과 냉각수를 절연하는 것이다. 이 분리판(200,300)에 전기전도성은 매우 작은, 즉 절연성이 좋고 열전도성은 큰 물질(고분자 또는 무기화합물 등)을 코팅하여 분리판(200,300)과 냉각수를 절연시킬 수 있다. 또한 코팅 물질은 소수성 성질(hydrophobic)을 가져야 한다. 절연성 물질을 사용으로 인해서 분리판(200,300)에서 용출이나 부식에 의해서 입자나 이온들의 증가를 방지할 수 있다.

또한 코팅한 절연성 물질은 절연성이 좋아서 분리판(200,300)으로부터 전류가 냉각수쪽으로 흐르지 않도록 방지해준다. 하지만 스택에서 발생되는 열은 냉각수쪽으로 전달하여 스택을 냉각될 수 있도록 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 코팅된 절연성 물질(20)은 단층이나 여러 층으로 다양한 물질로 코팅을 할 수 있다. 예컨대, 첫 번째 층에는 냉각수가 코팅층을 통과한 냉각수를 스택과 절연시키기 위한 소수성 물질을, 다음 층에는 절연성 물질을 코팅할 수 있다.

또한 도 3에 도시된 바와 같이, 절연성이 좋고 열전도도가 큰 물질로 냉각수가 흐르는 유로를 만들어서 분리판에 접합시켜서 새로운 절연성 냉각수유로(31)를 만들 수 있다. 이 새로운 절연성 냉각수유로(31)를 새로 만들면 냉각수는 완전히분리판(200,300)과 절연되어서 냉각수쪽으로 전혀 전류가 흐르지 않게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 분리판은 다음과 같은 효과를 갖는다.

스택용 분리판에 절연성이 크고 열전도성이 큰 물질을 코팅함으로써 연료 전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수의 전기 전도도와는 무관하게 된다. 이에 따라 연료 전지 시스템 내에 있는 이온제거기를 제거할 수 있어 스택 냉각 라인의 구성이 간단하게 되며 연료 전지 차량의 공간적인 측면에서 유리하게 된다.

상기와 같이 스택 냉각수의 전기 전도도와 무관해짐으로써 스택 냉각수를 증류수가 아닌 다양한 유체를 사용할 수 있다. 예컨대, 에틸렌글리콜과 물의 혼합액과 같은 부동액을 사용하게 되면 연료 전지 시스템 내의 냉각수가 저온에서도 얼지 않게 되어 연료 전지의 저온 시동성이 향상된다.

그리고 절연성 물질을 사용함으로써 다음과 같은 부수적인 효과를 기대할 수 있다.

우선, 스택 분리판이 냉각수와 분리되어 있어서 스택 분리판이 용출이나 부식이 되지 않게 된다. 이로 인해서 스택의 내구성을 확보하게 되고, 연료 전지 시스템 내의 안전성을 확보할 수 있게 된다.

그리고 냉각수로 전류가 흐르지 않게 됨으로써 연료 전지 시스템의 전기적 안전성을 확보할 수 있다.

또한 배관의 내구성을 확보할 수 있게 된다. 연료 전지 냉각수 배관측면에서는 배관이 부식되더라도 스택 내에서 단락이 되지 않기 때문에 배관 부식과는 무관하게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 연료 전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수가 구비되는 냉각수유로와, 공기와 연료인 수소가 공급되기 위해 가스유로가 각각 형성되도록 적어도 하나 이상 적층되어 이루어지는 연료 전지 스택용 분리판에 있어서,

   상기 냉각수유로 내주면에는 절연성 물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 분리판.
2. 제1항에 있어서,

   상기 절연성 물질과 상기 냉각수유로 내주면 사이에는 소수성 물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 분리판.
3. 제1항에 있어서,

   상기 냉각수유료가 절연성 물질에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 분리판.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 절연성 물질은 소수성 성질을 갖는 고분자 또는 무기화합물중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 분리판.