KR20080014256A - 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 차량에 설치된 스택의 냉시동성을 개선하기 위하여 상기 스택에 구비된 바이폴라플레이트의 테두리를 따라 발열부를 형성하거나, 상기 바이폴라플레이트가 다수개 적층된 스택의 외측면상에 면상 발열체를 설치 함으로써, 저전력을 이용하여 스택의 온도를 최적의 상태로 작동 가능한 상태까지 상승시켜서 냉시동성을 향상시키기 위하여 바이폴라플레이트의 테두리를 따라 형성된 절연층; 및 연료전지 차량의 냉시동성을 개선하기 위해 상기 절연층의 외측을 따라 형성되는 발열부를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조를 제공한다.

연료전지, 스택, 바이폴라플레이트, 절연층, 발열부, 단열층

Description

연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조{Fuel cell system having improved starting performancein low temperature for bypolarplate}

도 1은 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조를 도시한 도면.

도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 다른 실시예를 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조에 구비되는 연결 플레이트가 설치된 상태를 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 또 다른 실시예를 도시한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

2 : 바이폴라플레이트 10 : 절연층

20 : 발열부 30 : 단열층

40 : 연결 플레이트 100 : 면상 발열체

본 발명은 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위하여 바이폴라플레이트의 테두리를 따라 발열부를 형성하거나, 스택의 외측에 면상 발열체를 설치하여 상기 바이폴라플레이트 또는 스택를 가열함으로써, 대기의 온도가 영하의 상태에서도 안정적으로 연료전지 차량의 운전이 가능한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이며, 자동차나 레이저 전기기구 등의 동력원으로 연구되는 무공해 발전장치이다.

특히, 고분자 전해질형 연료전지는 100℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하고 빠른 응답성 및 고출력 밀도를 가지는 바, 자동차용으로 적합한 전기화학적인 동력원으로 알려져 있다.

이러한 고분자 전해질형 연료전지에서는 전기를 생산하는 단위전지가 적층된 연료전지 스택이 애노드로 연료기체인 수소를 공급받고 캐소드로 산화제인 산소를 공급받아 전기를 생산하게 된다.

즉, 고분자 전해질형 연료전지에서 수소와 산소는 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키는데, 공급된 수소가 애노드 전극의 촉매에서 수소이온과 전자로 분리되고, 이때 생성된 수소이온이 양이온 교환막을 통해 캐소드로 이동하여 공급된 산소와 전자를 받아 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.

그 반응식은 다음과 같다.

애노드(anode) : H2 →2H+ + 2e

캐소드(cathode) : 1/2O2 + 2H+ + 2e →H2O

상기 반응의 이론 전압은 1.2V로 보통 0.6V 이상에서 작동되며, 자동차용 동력원으로 사용되기 위해서는 수십 kW의 출력과 자동차용 모터를 구동하기 위한 수백 V의 전압을 필요로 하는 바, 이를 위하여 연료전지 스택(fuel cell stack)은 전기를 생산하는 각 단위전지가 적층된 구조로 되어 있다.

상기 각 단위전지는 전기전도성 및 내부식성이 우수한 흑연을 소재로 하여 제조되어 수소와 공기를 분리하여 공급할 수 있도록 된 유로 구조를 가지는 분리판과, 상기 분리판의 공기 유로와 수소 유로 사이에 위치되는 전극막과, 상기 전극막과 분리판의 유로 사이에 존재하여 가스확산 및 전기접촉을 용이하게 해주는 가스확산층 등으로 구성된다.

연료전지 반응시 공기극에서는 생성수와 함께 열이 발생하므로 적절한 냉각이 필요하며, 일반적으로 분리판 내부에 냉각수 유로를 형성하여 냉각을 수행한다.

상기 연료전지에서 전해질로 사용되는 고분자막은 적절한 수분을 함유해야 이온전도성을 가지므로 연료전지로 공급되는 수소와 공기는 적절하게 가습 되어야 한다.

한편, 상기한 연료전지를 동력원으로 사용하기 위해서는 연료전지 스택과 그 주변장치로 구성되는 연료전지 시스템이 필요하다.

여기서, 주변장치는 수소 저장계, 수소 공급계 및 수소 재순환계, 공기 공급 계, 냉각계, 물 관리계 및 연료전지 제어부 등으로 구성된다.

연료인 수소는 수소 탱크에서 특정기압 이상으로 저장되고, 연료전지 스택으로 공급되기전 감압기에서 수 기압 이하로 감압된 후 가습장치에서 적절히 가습되며, 수소 이용율을 높이기 위해 수소를 재순환시키는 구조가 별도로 구비되어 있다.

공기는 블로어를 이용해 상압의 공기를 연료전지에서 필요한 압력으로 상승시킨 후 가습장치에서 가습되어 연료전지 스택으로 공급된다.

냉각계에서는 일반적으로 물을 이용하여 냉각하고 있고, 냉각계와 물 관리계는 냉각수 탱크, 냉각수 펌프, 라디에이터 및 가습장치로 구성되며, 가습에 필요한 물은 냉각계와 공용으로 사용한다.

그러나, 상기와 같이 이루어진 종래의 연료전지 시스템에서는 다음과 같은 문제점들이 있었다.

연료전지 스택의 냉각, 공기 및 수소의 적절한 가습을 위해서는 전술한 바와 같이 순수한 물(증류수)이 필요하며, 이러한 물을 공급하기 위해서는 물을 보관할 수 있는 물 탱크(이하 냉각수 탱크라 칭함) 및 공급 시스템(냉각수 펌프)이 필요하다.

이와 같이 물을 연료전지의 냉각수 및 가습수로 사용함에 있어서, 대기의 온도가 영하 이하의 온도로 내려갈 경우에는 냉각수 탱크 안의 물이 얼게 되므로 시동이 불가능해진다.

이와 같은 연료전지 차량의 냉시동성 문제는 아직 해결되지 않고 있는 문제 이며, 연료전지 차량이 실용화 되기 위해서는 반드시 해결되어야 할 문제이기도 하다.

연료전지 스택은 영하 이하의 온도에서 가습 및 냉각수가 없는 상태로 운전이 가능하지만, 스택 온도가 20℃ 이상으로 상승한 상태에서 냉각수가 없을 경우에는 전극막에서 핫 스폿(hot spot)이 생성될 수 있기 때문에 성능 및 수명이 저하될 수 있다.

냉각수 없이 10kW로 스택을 운전할 때에는 스택이 4분 정도 운전하면 20℃ 이상으로 상승하므로 물을 4분 이내에 해빙하여 스택에 공급해야 하는데, 종래의 연료전지 시스템에서는 냉각수 탱크 안의 물을 해빙할 수 있는 어떠한 기구

도 구비되어 있지 않다.

한편, 연료전지는 낮은 온도에서 출력이 낮고 낮은 온도에서 고출력으로 작동될 때 연료전지 스택의 수명 저하가 발생될 가능성이 크므로 최적의 작동온도(대략 60 ∼ 80℃임)에 가능한 한 빨리 도달해야 한다.

연료전지 스택의 온도를 빨리 올리기 위해서는 차량의 구동모터 외에 시동 직후 최적의 작동온도까지 스택 전력을 소모할 수 있는 별도의 기구가 필요하나, 종래의 연료전지 시스템에는 이러한 기구가 구비되어 있지 않다.

또한, 연료전지가 적용되는 승용차의 경우 80kW급 정도의 연료전지가 요구되는데, 이때 연료전지 스택 내의 냉각수는 최소 6ℓ이상, 특히 냉각시스템을 고려할 때 최소 10ℓ이상의 냉각수가 필요하다.

그러나, 혹한 지역에서 차량이 영하 이하에서 방치될 때 연료전지 스택 내부 에서 결빙된 물에 의해 연료전지 스택이 쉽게 파손되는 문제가 있으며, 이에 대한 대처방안 또한 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연료전지 차량의 바이폴라플레이트 또는 스택의에 발열 가능한 발열부 또는 면상 발열체를 구비하여 냉시동 성을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조는 바이폴라플레이트의 테두리를 따라 형성된 절연층; 및 연료전지 차량의 냉시동성을 개선하기 위해 상기 절연층의 외측을 따라 구비된 발열부를 포함하여 구성된다.

상기 절연층은 실리콘, 에폭시, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리에스터 중의 어느 하나로 이루어지도록 구성된다.

상기 절연층은 열가소성 수지로 이루지도록 구성된다.

본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 다른 실시예에 의한 구성은 바이폴라플레이트의 테두리를 따라 형성된 절연층과; 연료전지 차량의 냉시동성을 개선하기 위해 상기 절연층의 외측을 따라 형성되는 발열부; 및 상기 발열부의 외측에 단열 효과를 높이기 위한 단열층이 형성되도록 구성된다.

상기 바이폴라플레이트는 테두리의 하측 또는 상측 부위가 단선되도록 형성된다. 상기 바이폴라플레이트는 테두리의 좌우 양측이 단선되도록 형성된다.

상기 발열부는 카본 페이스트로 이루어지도록 구성된다.

상기 바이폴라플레이트는 다수개가 적층되어 스택을 형성하되 상기 바이폴라플레이트에 설치된 도전성 전극 사이에 양측면이 접촉되어 전류가 흐르는 연결 플레이트가 구비되도록 구성된다.

본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 또 다른 실시예에 의한 구성은 바이폴라플레이트가 다수개 적층된 스택의 외측면에 설치되며 상기 스택이 설치된 연료전지 차량의 냉시동성을 개선하기 위해 면상 발열체가 구비되도록 구성된다.

상기 면상 발열체는 카본페이스트 또는 발열체가 포함된 필름이 형성된 면상 스테인레스를 사용하도록 구성된다.

상기 면상 발열체는 리튬이온 배터리, NI-MH 배터리, 슈퍼커패시티 또는 태양전지 중의 어느 하나가 전원으로 사용되도록 구성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1은 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조를 도시한 도면이고, 도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 다른 실시예를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조에 구비되는 연결 플레이트가 설치된 상태를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하면, 바이폴라플레이트(2)의 테두리를 따라 형성된 절연층(10); 및 연료전지 차량의 냉시동성을 개선하기 위해 상기 절연층(10)의 외측을 따라 구비된 발열부(20)를 포함하여 구성된다.

상기 절연층(10)은 실리콘, 에폭시, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리에스터 중의 어느 하나로 이루어지도록 구성된다.

상기 절연층(10)은 열가소성 수지로 이루지도록 구성된다.

상기와 같이 바이폴라플레이트(2)의 테두리를 따라 절연층(10)과 발열부(20)를 형성하는 이유는 상기 바이폴라플레이트(2)의 양측면이 성능과 괸련되는 전기전도성, 수소연료 및 공기의 유로, 디자인 등의 인자가 있기 때문에 바이폴라플레이트(2)의 성능과 연관이 없는 테두리 부분의 영역을 활용하기 위해서이다.

본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 다른 실시예에 의한 구성은 바이폴라플레이트(2)의 테두리를 따라 형성된 절연층(10)과; 연료전지 차량의 냉시동성을 개선하기 위해 상기 절연층(10)의 외측을 따라 형성되는 발열부(20); 및 상기 발열부(20)의 외측에 단열 효과를 높이기 위한 단열층(30)이 형성되도록 구성된다.

상기 바이폴라플레이트(2)는 테두리의 하측 또는 상측 부위가 단선 되도록 형성된다. 상기 바이폴라플레이트(2)는 테두리의 좌우 양측이 단선 되도록 형성된 다. 상기와 같이 바이폴라플레이트(2)의 하측, 상측 또는 좌우 양측의 어느 하나를 단선 되도록 하는 이유는 제작이 용이해지고 장시간 직동에 따른 냉각이 유리하기 때문이다.

상기 발열부(20)는 카본 페이스트로 이루어지도록 구성된다.

상기 바이폴라플레이트(2)는 다수개가 적층되어 스택을 형성하되 상기 바이폴라플레이트(2)에 설치된 도전성 전극 사이에 양측면이 접촉되어 전류가 흐르는 연결 플레이트(40)가 구비되도록 구성된다.

본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 또 다른 실시예에 의한 구성은 바이폴라플레이트(2)가 다수개 적층된 스택의 외측면에 설치되며 상기 스택이 설치된 연료전지 차량의 냉시동성을 개선하기 위해 면상 발열체(100)가 구비되도록 구성된다.

상기 면상 발열체(100)는 카본 페이스트 또는 발열체가 포함된 필름이 형성된 면상 스테인레스를 사용하도록 구성된다.

상기 면상 발열체(100)는 리튬이온 배터리, NI-MH 배터리, 슈퍼커패시티 또는 태양전지 중의 어느 하나가 전원으로 사용되도록 구성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 실시예에 따른 작동 관계를 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1은 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트의 실시예에 따른 구조를 도시한 도면이다.

첨부된 도 1을 참조하면, 대기의 온도가 영하의 상태로 내려갈 경우에는 연 료전지 시스템에 구비된 냉각수 탱크의 물이 얼게 되어 연료전지 차량의 시동이 불가능해진다.

예를 들어, 영하 20℃에서 연료전지 차량이 1분 이내에 출발 가능한 상태가 되기 위해서는 연료전지 스택의 온도가 1분 이내에 상온 이상의 온도로 상승되어야 하며, 상온 이상에서 균일한 온도 유지 및 가습을 위해 1분 이내에 냉각수의 해빙이 필요하다.

이를 위해 바이폴라플레이트(2)의 절연층(10) 외측에 형성된 발열부(20)에서 발열이 시작된다. 상기 발열부(20)는 카본 페이스트(Carbon Paste)를 사용하여 카본층을 형성한 후 전극을 구성하며, 상기한 전극에 전류가 인가되어 발열이 시작된다. 발열부(20)에서 발열이 이루어지면 다수의 바이폴라플레이트(2)가 적층된 스택 전체에서 발열이 이루어져 스택 전체의 온도가 빠르게 상승되어 스택이 안정적인 상태로 빠르게 도달하게 된다.

상기 절연층(10)은 상기 발열부(20)에 구비된 전극과의 전기전도성을 위해 형성하며, 실리콘, 에폭시, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리에스터등의 열경화성 수지 중의 어느 하나로 이루어지거나 열가소성 수지로 이루어진다.

본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 다른 실시예에 따른 작동 관계를 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

첨부된 도 2a를 참조하면, 바이폴라플레이트(2)의 외측면에 상기 발열부(20)의 단열 효과를 높이기 위해 구비된 단열층(30)은 바이폴라플레이트(2) 테두리의 하측 또는 상측 부위가 단선되도록 형성할 수 있다. 상기와 같이 형성하게 되면 가열 및 단열 효과는 바이폴라플레이트(2) 테두리의 모두를 가열 또는 단열 하는 것에 비해 약간 저하되나 제작이 용이하고 장시간 작동시 유리하기 때문이다.

첨부된 도 2b는 바이폴라플레이트(2)의 좌우 양측이 단선되도록 하여 사용할 경우를 도시한 도면이며 상기 도 2a에 도시된 작용과 동일하다.

첨부된 도 3을 참조하면, 바이폴라플레이트(2) 사이사이에는 바이폴라플레이트(2)에 설치된 도전성 전극(3)과 전극(3) 사이에 양측면이 접촉되어 전류가 흐르는 연결 플레이트(40)가 구비되어 각각의 바이폴라플레이트(2)에 구비된 발열부(20)에 손쉽게 전원 인가가 이루어진다.

도면에 도시된 바와 같이, 다수개의 바이폴라플레이트(2)가 연결 플레이트(40)에 의해 도전성 전극(3)과 통전되어 스택(1) 전체에서 발열이 이루어지게 된다.

본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 또 다른 실시예에 따른 작동 관계를 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 4는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

연료전지 차량의 냉시동 성능을 개선하기 위해서 스택(1)의 외측면에 면상 발열체(100)를 설치한다. 상기와 같이 설치된 면상 발열체(100)는 카본 페이스트를 사용하거나 발열체가 포함한 필름이 형성된 면상 스테인레스에 의해 사용가능하다.

상기와 같이 스택(1)에 설치되어 면상 발열체(100)에서 발열이 이루어지게 되면 스택(1) 전체를 한꺼번에 가열하게 되어 상기한 스택(1)의 온도를 빠르게 상승시키게 된다.

상기와 같이 면상 발열체(100)에 인가되는 전원은 리튬이온 배터리, NI-MH 배터리, 슈퍼커패시티 또는 태양전지 중의 어느 하나가 전원으로 사용가능하다.

한편, 본 발명은 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조는 빠른 시간 안에 빙점 이하의 상태에 있는 스택의 온도를 상승시켜 연료전지 차량의 냉시동성을 향상시키고, 적은 전력으로 스택을 가열할 수 있는 효과가 있다.

또한, 바이폴라플레이트의 테두리 부분 또는 스택의 외측면에 발열이 이루어져서 상기한 바이폴라플레이트의 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 바이폴라플레이트의 테두리를 따라 형성된 절연층; 및

   연료전지 차량의 냉시동성을 개선하기 위해 상기 절연층의 외측을 따라 구비된 발열부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 절연층은 실리콘, 에폭시, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리에스터 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 절연층은 열가소성 수지로 이루지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조.
4. 바이폴라플레이트의 테두리를 따라 형성된 절연층;

   연료전지 차량의 냉시동성을 개선하기 위해 상기 절연층의 외측을 따라 형성되는 발열부; 및

   상기 발열부의 외측에 단열 효과를 높이기 위한 단열층이 형성되는 것을 특 징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조.
5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 바이폴라플레이트는 테두리의 하측 또는 상측 부위가 단선되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 바이폴라플레이트는 테두리의 좌우 양측이 단선되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 발열부는 카본 페이스트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조.
8. 제 4항에 있어서,

   상기 바이폴라플레이트는 다수개가 적층되어 스택을 형성하되 상기 바이폴라플레이트에 설치된 도전성 전극 사이에 양측면이 접촉되어 전류가 흐르는 연결 플레이트가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조.
9. 바이폴라플레이트가 다수개 적층된 스택의 외측면에 설치되며 상기 스택이 설치된 연료전지 차량의 냉시동성을 개선하기 위해 면상 발열체가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 면상 발열체는 카본 페이스트 또는 발열체가 포함된 필름이 형성된 면상 스테인레스를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조.
11. 제 9항에 있어서,

    상기 면상 발열체는 리튬이온 배터리, NI-MH 배터리, 슈퍼커패시티 또는 태양전지 중의 어느 하나가 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 향상을 위한 바이폴라플레이트 구조.

Images