KR20140024776A - 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스택의 열 분포 및 적층된 셀들의 온도 균일성이 개선될 수 있고, 나아가 연료전지 스택의 운전 온도가 균일하게 유지될 수 있으면서 냉시동 성능이 향상될 수 있는 연료전지 스택을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 엔드플레이트 및 접전판에 인접한 셀의 분리판에서 냉각수 유로의 표면이 단열재로 처리된 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택을 제공한다. 여기서, 상기 단열재의 처리로서, 상기 냉각수 유로의 표면에 단열재가 코팅될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 냉각수 유로의 내부에 단열 재질의 충전재가 충전되어, 상기 인접한 셀의 냉각수 채널 단면상 일정 부분이 상기 단열 재질의 충전재가 막고 있는 구조가 구현될 수 있다.

Description

온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택{Fuel cell stack having enhanced uniformity of temperature distribution}

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스택의 열 분포 및 적층된 셀들의 온도 균일성이 개선될 수 있고, 나아가 연료전지 스택의 운전 온도가 균일하게 유지될 수 있으면서 냉시동 성능이 향상될 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.

고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polyer Electrolyte Membrane Fuel Cells)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 발전장치로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 가지는 장점이 있다.

연료전지 스택의 구성은 다음과 같다. 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 이 막전극접합체는 수소 양자(Proton)를 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)로 구성되어 있다.

또한 막전극접합체의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓 등이 적층되고, 가스확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate)이 위치된다.

이러한 구성을 단위 셀(Cell)로 하여 복수의 단위 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 단위 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 적층 배열한 뒤 체결기구로 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.

고분자 전해질막 연료전지의 작동원리를 살펴보면, 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드와 캐소드로 각각 공급되는데, 산화극인 애노드로 공급된 수소는 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H⁺)과 전자(electron, e^-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 가스확산층과 분리판, 외부도선을 통해 캐소드로 전달된다. 이때 일어나는 외부도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

환원극인 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 캐소드로 공급된 산소와 만나서 열과 물을 생성하는 반응을 일으킨다.

이러한 단위 셀은 운전시 낮은 전압(통상 1V 이하)을 유지하므로 전압을 높이기 위해 수십 ~ 수백 개의 셀들을 직렬로 적층하여 스택 형태로 제작한 뒤 발전장치로 사용하게 된다.

한편, 고분자 전해질막 연료전지는 일반적으로 상온에서부터 80℃ 사이에서 높은 성능을 나타내고, 온도가 낮아짐에 따라 반응활성화 감소 및 전해질막의 이온전도도 감소로 인해 성능이 떨어질 수 있다.

특히, 겨울철과 같이 외부 온도가 0℃ 이하로 떨어져 차량에 탑재된 연료전지 스택의 온도가 물의 빙점 이하로 떨어질 경우에는 전극의 활성도가 떨어질 뿐만 아니라 전해질막 내 수소 이온을 전달시키는 물이 얼게 되면서 전도도가 떨어지게 되어 낮은 성능을 나타내게 된다.

또한 가습 가스를 공급하는 상태에서 온도가 낮을 경우 물의 응축에 따른 플러딩(Flooding) 문제가 발생하여 성능 및 내구성에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.

따라서, 수백 장의 단위 셀이 적층되어 구성된 연료전지 스택을 적정 온도에서 운전하기 위해 스택 전체의 온도 분포를 일정 범위 내에서 균일하게 유지하는 것이 중요하다.

연료전지 스택은 구조상 양끝에 체결력 유지와 전류 취합을 위한 집전판이 포함된 엔드플레이트가 위치되는데, 많은 실험과 논문에서 엔드플레이트(집전판) 부근의 셀들이 다른 셀들에 비해 온도가 낮아짐을 확인할 수 있다.

도 1은 연료전지 스택을 도시한 도면으로, 적층된 단위 셀(11)들과 엔드플레이트(19)의 결합 상태를 보여주고 있으며, 도면부호 18과 17은 각각 집전판과 스택 체결기구의 체결바를 나타낸다.

도 2는 도 1에서 하나의 연료전지 모듈을 냉각수 유동 위치를 중심으로 간단히 도시한 도면으로, 통상의 연료전지 스택에서 냉각수 유동 상태를 나타내고 있다.

도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)의 각 단위 셀(11)을 구성하는 분리판이 적층되어 스택 일측에는 냉각수 입구 매니폴드(13)가, 타측에는 냉각수 출구 매니폴드(15)가 구성되는데, 입구 매니폴드(13)로 공급된 냉각수가 각 셀(11)을 통과하여 반대쪽의 출구 매니폴드(15)로 모아진 뒤 외부 배출되게 된다.

즉, 입구 매니폴드(13)로 유입된 냉각수가 각 셀(11)의 분리판에 형성된 냉각수 채널(11b)로 분배되어 이를 통과하면서 각 셀을 냉각시킨 뒤 출구 매니폴드(15)로 모아지며, 출구 매니폴드(15)로 모아진 냉각 후의 냉각수가 스택 외부로 최종 배출되는 것이다.

이와 같이 냉각수가 입구 매니폴드(13)에서 셀(11)을 통과하여 출구 매니폴드(15)로 이동하는 동안 스택의 전기화학 반응에서 발생하는 열을 전달받게 되며, 이로써 스택 냉각이 이루어진다.

이에 출구 매니폴드(15)로 모아진 냉각수는 냉각 과정에서 열을 전달받았으므로 입구 매니폴드(13)로 최초 공급된 냉각수에 비해 상대적으로 고온의 냉각수가 된다.

한편, 종래의 연료전지 스택에서는 시동 초기에 엔드플레이트(19) 및 집전판(18) 근처의 셀에서 상대적으로 낮은 온도를 나타내는데, 도 3은 출구 매니폴드 내 냉각수 온도 분포를 나타내는 도면으로서, 출구 매니폴드 내에서 냉각수 유동방향 기준 하류측으로 갈수록 온도가 낮아짐 볼 수 있다.

도 4는 스택 냉시동시 1차원 열전달 모델 해석의 결과를 나타내는 도면으로서, 이 역시 냉시동시 엔드플레이트에 가까운 셀일수록 온도가 낮음을 보여주고 있으며, 이에 전체 셀의 온도를 균일하게 맞춰주어 스택 내 온도 분포를 개선할 수 있는 방안이 필요하다.

종래에는 엔드플레이트와 적층된 셀 사이에 두꺼운 단열 혹은 가열을 위한 장치를 삽입하여 온도 저하를 방지하고 있다.

예컨대, 미국특허 6,824,901의 경우에는 엔드플레이트와 분리판 사이에 두꺼운 인슐레이터를 넣어 실제 반응이 일어나는 부분을 단열시키는 방법을 적용하고 있고, 또는 엔드플레이트와 분리판 사이에 평면 히터를 넣어줌으로써 냉시동시 스택의 모든 부분의 온도를 일정하게 맞추어 온도 불균일의 문제를 해결하고 있다.

또한 한국등록특허 제747865호(2007.8.2)에서는 집전판(커런트 컬렉터)을 열팽창 계수가 상이한 하나 이상의 물질로 구성하여, 온도에 따른 두께 변화, 즉 온도에 따른 접촉저항성 차이를 이용하되, 온도가 낮을 때에는 높은 열팽창 계수를 갖는 물질의 수축에 의해 접촉저항이 증가하도록 함으로써 집전판이 집전 역할뿐만 아니라 저항에 의한 히터 역할을 하도록 하고, 온도가 높을 때는 접촉저항이 낮아지면서 집전 역할만 하도록 한 연료전지 스택이 개시되어 있다.

또한 한국등록특허 제747869호(2007.8.2)에서는 연료전지의 냉시동이 가능하도록 엔드플레이트의 외부를 덮을 수 있는 장치를 부착하여 단열을 위한 공기층을 형성하는 연료전지 스택의 체결구조가 개시되어 있다.

그러나, 엔드플레이트 전체를 단열시켜주는 경우는 단열을 위해 인슐레이터가 두꺼워야 하므로 전체 연료전지 스택의 두께가 증가하는 단점이 있고, 집전판 외부에 덮개를 부착하는 경우에는 전극에서 생성된 열을 엔드플레이트로 빼앗기는 것을 방지할 수 없는 단점이 있다.

또한 엔드플레이트와 분리판 사이에 히터를 넣어주는 경우에는 외부에서 히터 작동을 위한 별도의 전원을 공급해주어야 하므로 전원 공급을 위한 부속 기구가 설치되어야 하고, 히터 작동을 제어해야 하므로 제어시스템이 복잡해지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 스택의 열 분포 및 적층된 셀들의 온도 균일성이 개선될 수 있고, 나아가 연료전지 스택의 운전 온도가 균일하게 유지될 수 있으면서 냉시동 성능이 향상될 수 있는 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 엔드플레이트 및 접전판에 인접한 셀의 분리판에서 냉각수 유로의 표면이 단열재로 처리된 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 단열재의 처리로서, 상기 냉각수 유로의 표면에 단열재가 코팅될 수 있으며, 또는 상기 냉각수 유로의 내부에 단열 재질의 충전재가 충전되어, 상기 인접한 셀의 냉각수 채널 단면상 일정 부분이 상기 단열 재질의 충전재가 막고 있는 구조가 구현될 수 있다.

또한 상기 단열 재질의 충전재는 실리콘 계열의 수지일 수 있고, 상기 인접한 셀을 구성하고 있으면서 엔드플레이트 및 집전판 쪽으로 접해 있는 끝쪽 분리판의 냉각수 유로에 단열재의 처리가 이루어짐이 바람직하다.

이에 따라, 본 발명의 연료전지 스택은 엔드플레이트에 인접한 셀의 분리판에서 냉각수 유로의 내부가 단열 처리되어 구성됨으로써, 스택의 열 분포 및 적층된 셀들의 온도 균일성이 개선될 수 있고, 나아가 연료전지 스택의 운전 온도가 균일하게 유지될 수 있으면서 냉시동 성능이 향상될 수 있는 이점을 가진다.

도 1은 통상의 연료전지 스택을 도시한 도면이다.
도 2는 통상의 연료전지 스택에서 냉각수 유동 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 출구 매니폴드 내 냉각수 온도를 나타내는 도면이다.
도 4는 스택 냉시동시 1차원 열전달 모델 해석의 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명에서 분리판의 냉각수 유로에 실리콘 충전재를 충전하여 단열 처리한 인접 셀을 보여주는 단면도이다.
도 7은 연료전지의 분리판에서 유로 내 각 반응가스 및 냉각수의 온도 분포와 열유속을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 종래와 본 발명의 연료전지 스택의 엔드플레이트 부근에서 적층방향으로의 온도 구배를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서는 엔드플레이트에 인접한 셀을 단열 처리하여 이 인접한 셀의 온도가 중앙에 적층한 셀에 비해 온도가 상대적으로 떨어지는 문제점을 해소하고자 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타내는 단면도로서, 집전판(18)이 설치된 엔드플레이트(19), 이 엔드플레이트(19) 및 집전판(18)에 인접한 셀(이하, '인접 셀'이라 칭함)(21), 인접 셀(21) 주변에 적층된 셀(이하, '중앙 셀'이라 칭함, 인접 셀을 제외한 그 안쪽 셀들임)(23)들을 보여주고 있다.

도시된 바와 같이, 스택(10)의 열 분포 및 온도 균일성을 개선하기 위해, 본 발명에서는 종래 낮은 온도의 엔드플레이트(19)로 인해 다른 중앙 셀(23)들에 비해 상대적으로 온도가 낮았던 인접 셀(21)에서 그 분리판의 냉각수 유로(22) 내부를 단열 처리하여 냉각수를 통한 분리판 간의 열전달이 최소화되도록 한다.

이를 위해 셀 간 혹은 셀과 엔드플레이트 간의 열전달이 조절될 수 있도록 엔드플레이트(19)에 인접한 인접 셀(21)의 냉각수 유로(22)의 내부 표면을 단열재로 코팅하는 방법이 적용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 인접 셀(21)의 냉각수 유로(22)에 단열 재질의 충전재(24)(예, 실리콘)를 충전하여, 인접 셀(21)의 냉각수 채널의 단면상 일정 부분을 상기 단열 재질의 충전재(24)가 막고 있는 구조가 되도록 한다.

여기서, 단열 재질의 충전재(24)는 도 5에 나타낸 바와 같이 실리콘 계열의 수지가 될 수 있으며, 인접 셀(21)에서 단열 재질의 충전재(24)가 채워지는 영역은 인접 셀(21)을 구성하고 있는 분리판, 즉 엔드플레이트(19) 및 집전판(18) 쪽으로 접해 있는 끝쪽 분리판(인접 셀(21)의 분리판임)의 냉각수 유로(22) 영역이 된다.

이렇게 인접 셀(21)의 냉각수 채널에서 단면상 일정 부분을 단열 재질의 충전재(24)로 막아주게 되면, 냉각수 채널 내 단열 재질의 충전재(24)가 엔드플레이트(19)와 인접 셀(21) 간의 단열층 역할을 하여, 상대적으로 온도가 낮은 엔드플레이트(19)에 의해 인접 셀(21)의 온도가 낮아지는 것을 방지할 수 있고, 낮은 온도의 엔드플레이트(19)에 의해 인접 셀(21)이 영향을 받는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.

또한 냉각수 채널의 단면 일정 부분을 단열 재질의 충전재(24)가 막아주게 되면서, 인접 셀(21)의 냉각수 채널을 통해 유동하는 냉각수의 양을 다른 중앙 셀(23)들에 비해 줄일 수 있는바, 인접 셀(21)에서 냉각수의 양이 필요 이상으로 흘러 인접 셀(21)이 과냉되는 것을 막을 수 있고, 중앙 셀(23)들에 비해 인접 셀(21)에서 냉각수가 불필요하게 과급되는 것을 방지하여 냉각수에 의한 셀의 온도 저하를 막을 수 있다.

도 5를 참조하면 집전판(18)이 설치된 엔드플레이트(19)와 단열 처리된 인접 셀(21)의 조립 상태를 볼 수 있으며, 도 6은 인접 셀(21)을 구성하는 분리판의 냉각수 유로(22)에 실리콘 충전재(24)를 충전하여 단열 처리한 인접 셀(21)을 보여주는 단면도이다.

시뮬레이션 결과에 의하면, 두 분리판이 접촉하는 면을 따라 열전도되는 열량보다 분리판에서 냉각수로, 냉각수에서 다시 분리판으로 전달되는 전열량이 더 크고 지배적이라는 사실이 증명되고 있다.

도 7은 연료전지의 분리판에서 유로 내 각 반응가스(수소, 공기) 및 냉각수의 온도 분포와 열유속(heat flux)을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면으로, (a)는 반응셀 단면의 온도 분포를 보여주고 있고, (b)는 반응셀 단면에서의 열유속을 비교하여 보여주고 있다.

도 7의 (a)를 참조하면 냉각수 채널에서의 온도 구배는 매우 급격한 반면, 분리판 접촉면에서의 온도 구배는 미미한 것으로 나타나고 있으며, 이는 냉각수로의 열전달이 분리판 접촉면을 통한 열전달보다 매우 크다는 것을 증명한다.

또한 도 7의 (b)에서 수치적으로 열유속을 나타내었으며, 이를 참조하면 냉각수를 통한 열전달이 다른 경로에 비해 훨씬 크다는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에서와 같이 인접 셀을 구성하는 분리판의 냉각수 유로에 단열 재질의 충전재를 충전하여 냉각수 단열 및 유량 조절을 통해 전체 열전달 현상을 제어하는 것은 적절하다 할 수 있다.

도 8은 연료전지 스택의 엔드플레이트 부근에서 적층방향으로의 온도 구배를 측정한 결과를 나타내는 도면으로, (a)는 종래의 연료전지 스택에서 엔드플레이트 부근의 인접 셀에서 온도가 내려감을 보여주고 있고, (b)는 단열 처리된 분리판을 적용한 본 발명의 연료전지 스택에서 동일 조건시의 온도 분포를 보여주고 있다.

도 8의 (b)에서와 같이, 냉각수 유로에 단열 재질의 충전재를 채워 단열 처리한 분리판을 연료전지 스택의 인접 셀에 적용할 경우 인접 셀의 온도가 충전재에 의한 단열 작용으로 인해 종래에 비해 상승함을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 연료전지 스택 18 : 집전판
19 : 엔드플레이트 21 : 인접 셀
22 : 냉각수 유로 23 : 중앙 셀
24 : 충전재

Claims (5)

1. 엔드플레이트 및 접전판에 인접한 셀의 분리판에서 냉각수 유로의 표면이 단열재로 처리된 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 단열재의 처리로서, 상기 냉각수 유로의 표면에 단열재가 코팅된 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 단열재의 처리로서, 상기 냉각수 유로의 내부에 단열 재질의 충전재가 충전되어, 상기 인접한 셀의 냉각수 채널 단면상 일정 부분이 상기 단열 재질의 충전재가 막고 있는 구조로 된 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 단열 재질의 충전재가 실리콘 계열의 수지인 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.
   
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인접한 셀을 구성하고 있으면서 엔드플레이트 및 집전판 쪽으로 접해 있는 끝쪽 분리판의 냉각수 유로에 단열재의 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.

Images